Une équipe de chercheurs du CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), de l'Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), de l'Université technologique de Nanyang à Singapour et du S N Bose National Centre for Basic Sciences a développé un nouveau type de membrane de filtration extrêmement précise. L'étude, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, décrit une technologie qui pourrait aider les industries à réduire leur consommation d'énergie et à augmenter considérablement la réutilisation de l'eau.

De nombreuses activités industrielles dépendent de la séparation de différentes substances les unes des autres. Ces processus de séparation sont essentiels pour des tâches telles que la purification des médicaments, le traitement des colorants textiles et la production alimentaire. Pourtant, ils figurent parmi les opérations les plus énergivores de l'industrie, représentant environ 40 à 50 % de la consommation énergétique industrielle mondiale. La plupart des installations utilisent encore des approches traditionnelles comme la distillation et l'évaporation. Bien qu'efficaces, ces méthodes nécessitent de grandes quantités d'énergie et contribuent significativement aux émissions de carbone. La filtration membranaire est généralement considérée comme une alternative plus propre, mais les membranes polymères conventionnelles contiennent souvent des pores de taille irrégulière. Avec le temps, ces pores peuvent se déformer ou se dégrader, réduisant les performances et limitant leur utilité dans des environnements industriels exigeants.

« Pour remédier à ces limitations, nous avons conçu une nouvelle classe de membranes cristallines ultra-sélectives appelées 'POMbranes', qui contiennent des pores d'environ un nanomètre de large, des milliers de fois plus fins qu'un cheveu humain », a déclaré le Dr Shilpi Kushwaha, scientifique senior au CSMCRI. Les nouvelles membranes s'inspirent de systèmes biologiques tels que les aquaporines, qui régulent le mouvement des molécules à travers des canaux de taille précise. Pour atteindre ce niveau de contrôle, les chercheurs ont utilisé des clusters de polyoxométallates (POM). Chaque cluster contient une ouverture naturelle d'exactement 1 nanomètre de large et reste en permanence stable. Selon Mme Priyanka Dobariya, chercheuse au CSMCRI et co-première auteure de l'article, « Ces POM sont de minuscules clusters métalliques en forme de couronne qui ont un trou parfait et permanent en leur centre, qui ne change ni ne se déforme, ce qui est le plus grand obstacle des filtres plastiques traditionnels. »

Créer une membrane pratique a nécessité d'organiser des milliards de ces minuscules structures annulaires en une couche continue et sans défaut. Pour y parvenir, les chercheurs ont attaché des chaînes chimiques flexibles aux clusters POM. Lorsque les clusters modifiés ont été placés sur l'eau, ils se sont naturellement étalés et organisés en un film ultramince de grande surface. En modifiant la longueur des chaînes attachées, l'équipe a pu contrôler la compacité des clusters. « Cela a forcé les molécules à traverser la membrane par le seul chemin ouvert, les trous d'un nanomètre intégrés dans chaque cluster, permettant à la membrane d'agir comme un tamis high-tech », a ajouté le Dr Raghavan Ranganathan, professeur associé au département d'ingénierie des matériaux de l'IITGN. Le Dr Ranganathan et M. Vinay Thakur, doctorant à l'IITGN et co-premier auteur de l'article, ont également réalisé des simulations au niveau moléculaire qui ont révélé comment les membranes remplissent leur fonction de filtrage.

Les tests ont montré que les membranes pouvaient distinguer des molécules ne différant que de 100 à 200 daltons, un niveau de précision extrêmement difficile à atteindre avec les membranes polymères conventionnelles. Selon le Dr Ketan Patel, scientifique principal au CSMCRI, cette capacité pourrait créer de nouvelles opportunités pour des procédés de fabrication plus durables. « Nos membranes montrent des performances de séparation presque dix fois meilleures que les technologies existantes, tout en restant flexibles, stables et évolutives », a-t-il déclaré. « De plus, ces membranes sont flexibles, stables à différents niveaux d'acidité (plages de pH) et peuvent être fabriquées en grandes feuilles. Cette combinaison est essentielle si les membranes doivent être largement adoptées dans l'industrie. »

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