Des membranes artificielles bio-inspirées pour filtrer l'eau
Publié par Adrien le 27/03/2018 à 00:00
Source: CNRS
Alors que l'accès à l'eau potable est considéré comme l'un des principaux enjeux du XXIe siècle, des scientifiques viennent d'ouvrir la voie à de nouveaux procédés de filtration. S'inspirant de protéines cellulaires, ils ont développé des membranes dotées de canaux artificiels asymétriques à l'intérieur desquels ils ont pu observer de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) "chirale (1)", une propriété qui favorise les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) indispensables à la filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au...). Ces travaux, menés par des chercheurs CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) européen des membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) et du Laboratoire CNRS de biochimie théorique, en collaboration avec des scientifiques américains, sont publiés dans Science Advances du 23 mars 2018.


Représentation schématique d'un filet de molécules d'eau orientées dans une seule direction au coeur d'un canal visible en transparence. Formé de dérivés d'histamines, ce canal chiral se constitue spontanément au sein de la bicouche phospholipidique (en blanc) stabilisée en milieu aqueux (en bleu). Il génère une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) motrice de transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) pour l'eau.
© CNRS

Désireux de mettre au point (Graphie) des technologies de rupture appliquées à la filtration et à la purification de l'eau, les chercheurs ont développé des membranes dotées de canaux artificiels inspirés des protéines constituant les pores des membranes biologiques: les aquaporines. Grâce à une technique spectroscopique innovante, ils ont pu observer que, dans l'espace très restreint de ces canaux, les molécules d'eau s'organisent de façon très régulière, en filet moléculaire orienté: l'eau est devenue "chirale".

Identifier de l'eau chirale dans les canaux artificiels de ces membranes lipidiques, dans des conditions physiologiques proches des pores naturels, était un tour de force. Cet agencement très régulier de molécules avait déjà pu être observé dans des structures à l'état solide de composés naturels ou artificiels, mais est difficilement observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement une information sur un système...) en solution où les molécules d'eau sont très mobiles.

Cet arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) "en filet" des molécules d'eau est expliqué par la polarité de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) d'eau conjuguée à l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) des canaux. L'eau, via des liaisons hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), interagit avec les parois des canaux artificiels. Dans ces superstructures ainsi formées, les molécules composant les canaux transmettent leur caractère chiral aux fils d'eau, donnant ainsi une direction préférentielle aux molécules d'eau. D'où l'hypothèse des chercheurs qui s'ensuivit: cette orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) collective des molécules d'eau joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) probablement un rôle important dans l'activation (Activation peut faire référence à :) ou la sélection du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) à travers la membrane.

Et en effet, les expérimentations menées en laboratoire, étayées par les calculs de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension de résultats expérimentaux.), ont confirmé que ces arrangements chiraux présentent des propriétés de transfert supérieures à leurs équivalents achiraux, où l'eau présente un agencement moléculaire aléatoire. En d'autres termes, la chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est appelé chiral s'il diffère de son image miroir....) de l'eau engendre une plus grande mobilité dans les nano-canaux, favorisant ainsi les transports de matière, avec un apport énergétique extérieur réduit.

Cette découverte ouvre un vaste champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'application pour la filtration et la purification de l'eau. Actuellement, les chercheurs développent des membranes d'osmose inverse (L’osmose inverse est un système de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que les molécules d'eau.), couramment utilisées pour la désalinisation de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.). Ils obtiennent déjà des résultats prometteurs en termes d'amélioration de la perméabilité et de la sélectivité des membranes, les deux critères incontournables de la filtration.

Notes:

(1)En chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...), un composé chimique est dit chiral s'il n'est pas superposable à son image dans un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour...), autrement dit s'il ne présente aucune symétrie intrinsèque.
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