Résoudre les problèmes d'eau potable: une approche biomimétique

Publié par Isabelle le 11/12/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Ressource essentielle, l'eau manque sur notre planète pourtant bleue. Le traitement de l'eau, et en particulier sa désalinisation, est un enjeu sociétal majeur sur lequel se penchent nombre de scientifiques et industriels. Dans ce contexte, la quête d'une membrane de filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les...) idéale, à la fois perméable et parfaitement sélective, pourrait bien aboutir grâce aux recherches émanant d'une collaboration entre chimistes du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Kyoto. Dans une série d'articles récemment publiés dans Angewandte Chemie International Edition, les chercheurs nous livrent les secrets et l'avenir très prometteur de membranes artificielles biomimétiques pour la production d'or bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) à bas coût énergétique.


Pillar[5]arènes tubulaires rétrécis pour une sélectivité optimale (gauche) et co-transport d'eau et d'ions chlorure dans des membranes auto-assemblées (droite). © Mihail Barboiu

Si elle est majoritairement composée d'eau, la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) n'offre que 2.5 % d'eau douce et consommable, dont seulement 0.7 % accessible en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...). Bien que théoriquement suffisante, cette eau est inégalement répartie sur le globe et ne profite pas à tous. La désalinisation quotidienne de plus de 100 millions de m3 d'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) et océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau...), principalement par osmose inverse (L’osmose inverse est un système de purification de l'eau contenant des matières en solution...) sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), vient partiellement pallier ce problème. Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) consiste à forcer l'eau à travers une membrane perméable mais sélective qui retient les ions et livre une eau dessalée à 99%, non sans coût énergétique et impact écologique. Pour rendre ce procédé moins énergivore, il faut se tourner vers de nouvelles stratégies qui permettraient d'augmenter la perméabilité tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en conservant la sélectivité.

C'est dans ce but que de nombreux scientifiques se sont penchés sur l'élaboration de membranes artificielles dont le fonctionnement imiterait celui des membranes cellulaires.1Dans les organismes vivants, les transferts de molécules de part et d'autre de cette membrane se produit en effet de manière très sélective et efficace à travers des canaux protéiques bien spécifiques. L'eau est par exemple acheminée le long de canaux appelés aquaporines qui rejettent parfaitement les ions. Serait-il possible de transposer ce fonctionnement à l'échelle d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) ? Les chercheurs de l'IEM (CNRS/ENSC Montpellier/Université de Montpellier), en collaboration avec des théoriciens du LBT (CNRS/Université de Paris) et une équipe japonaise de l'université de Kyoto, ont ainsi cherché à créer des canaux artificiels aussi efficaces que les protéines dans des membranes synthétiques.

Une des solutions retenues sont les pillar[5]arènes, macrocycles organiques qui, lorsqu'on leur ajoute des groupements fonctionnels bien choisis, génèrent des architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) tubulaires qui peuvent traverser la membrane comme les canaux protéiques. Malheureusement, le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) constant de 5 Å de ces tubes est relativement grand pour atteindre la sélectivité eau versus ions désirée à l'échelle moléculaire. Une des études récemment publiées montre que faire varier le diamètre en introduisant des rétrécissements le long du tube conduit à la formation des véritables filtres qui apportent un gain énorme en sélectivité sans nuire à la perméabilité de l'eau.2 Une autre propriété très intéressante des protéines membranaires est leur réponse à divers stimuli autres que la concentration chimique, notamment l'acidité - la valeur du pH - ou la tension (La tension est une force d'extension.) électrique.

Dans une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) étude, les chercheurs ont mis en évidence une possibilité similaire de contrôler les propriétés de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) pour des canaux artificiels construits par auto-assemblage de plus petites molécules que les pillar[5]arènes.3 Ils ont ainsi pu montrer qu'il est possible de transporter sélectivement l'eau et un seul type d'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...), ici des ions chlorure (Cl-), en jouant sur le pH. La consolidation de ces résultats et la compréhension de ces systèmes a récemment permis aux chercheurs de mettre au point (Graphie) la première membrane de désalinisation de l'eau à comportement biomimétique dont les propriétés en condition d'utilisation surpassent celles des membranes industrielles utilisées aujourd'hui.4

Référence:
1 - Self-Assembled Artificial Ion-Channels toward Natural Selection of Functions. Shao-Ping Zheng, Li-Bo Huang, Zhanhu Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de...), et Mihail Barboiu, Angew. Chem. Int. Ed. 25 septembre 2020.
https://doi.org/10.1002/anie.201915287

2 - Biomimetic Approach for Highly Selective Artificial Water Channels Based on Tubular Pillar[5]arene Dimers Dmytro Strilets. Shixin Fa, Arthur Hardiagon, Marc Baaden, Tomoki Ogoshie et Mihail Barboiu, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 9 septembre 2020.
https://doi.org/10.1002/ange.202009219

3 - A Voltage-Responsive Synthetic Cl-Channel Regulated by pH. Shao-Ping Zheng, Ji-Jun Jiang, Arie van der Lee, and Mihail Barboiu, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 21 août 2020.
https://doi.org/10.1002/anie.202008393

4 - Une membrane biomimétique pour la désalinisation de l'eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) à l'échelle industrielle | CNRS
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