Les membranes d’oxyde de graphène montrent un comportement inhabituel de l’eau à l’échelle nanométrique


Les membranes d'oxyde de graphène montrent un comportement inhabituel de l'eau à l'échelle nanométrique

La tension superficielle contribue à l’interaction inhabituelle de l’eau avec pores nanoscopiques d’oxyde de . Crédit photo : Shutterstock

Plus de pores dans une passoire permettent à plus de liquide de s’écouler ? Comme l’ont découvert les scientifiques des matériaux, cette question apparemment simple pourrait donner une réponse inattendue à l’ nanométrique – et elle pourrait avoir des implications importantes pour le développement de la filtration de l’eau, du stockage de l’énergie et de la production d’hydrogène.

Des chercheurs de l’UNSW Sydney, de l’Université de Duisburg-Essen (Allemagne), du GANIL (France) et du Toyota Technological Institute (Japon) expérimentant des membranes d’oxyde de graphène (GO) ont découvert que l’inverse peut se produire au niveau nanoscopique. L’étude, publiée dans nano-lettresmontre que l’environnement chimique du tamis et la tension superficielle du liquide jouent un rôle étonnamment important dans la perméabilité.

Les chercheurs ont observé que la densité des pores n’entraîne pas nécessairement une plus grande perméabilité à l’eau – en d’autres termes, des trous plus petits ne laissent pas toujours passer l’eau à l’échelle nanométrique. L’étude, financée par l’Union européenne et la Humboldt Research Foundation, apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes qui contrôlent le flux d’eau à travers les membranes GO.

« Au fur et à mesure que vous créez de plus en plus de trous dans un tamis, vous vous attendez à ce qu’il devienne plus perméable à l’eau. Mais étonnamment, c’est le contraire de ce qui s’est passé dans nos expériences avec des membranes d’oxyde de graphène », explique le professeur agrégé Rakesh Joshi, auteur principal de l’école. d’étude des sciences et de l’ingénierie des matériaux, UNSW Science.

Changement d’environnement chimique

Le GO est une forme extrêmement fine de carbone qui s’est révélée prometteuse comme matériau de purification de l’eau. Le composé chimique est constitué d’une seule couche d’atomes de carbone auxquels sont attachés des atomes d’oxygène et d’hydrogène. Si vous imaginez disperser des briques LEGO sur tout votre sol, le sol serait les atomes de carbone et les atomes d’oxygène et d’hydrogène seraient les briques LEGO.

En chimie, les molécules peuvent avoir ce qu’on appelle des « groupes fonctionnels » qui sont soit hydrophobes (hydrofuges), soit hydrophiles (attracteurs d’eau). Les pores du graphène peuvent également être hydrophobes ou hydrophiles.

« Étonnamment, ce n’est pas le nombre de pores qui est le plus important pour le flux d’eau (le passage de l’eau à travers une membrane), mais le fait que les pores soient hydrophobes ou hydrophiles », déclare Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. Candidat et auteur principal de l’étude. « C’est très inattendu puisque les couches GO ne font qu’un seul atome d’épaisseur. Vous vous attendez à ce que l’eau coule à travers les pores, qu’ils attirent ou repoussent l’eau.

Malgré la présence de nombreux petits trous dans les filtres GO utilisés dans la recherche, ils ont montré un blocage complet de l’eau dans le cas des pores hydrophobes.

« Avec les filtres, vous vous attendez généralement à plus de débit d’eau avec plus de trous. Mais dans notre cas, où nous avons plus de trous, le débit d’eau est moindre et cela est dû à la nature chimique des trous d’oxyde de graphène, qui dans ce cas sont hydrofuges », explique le professeur Marika Schleberger, co-auteur du étude de Duisburg, Allemagne.

Effets inhabituels de la tension superficielle

Les chercheurs disent également que la tension superficielle contribue également à l’interaction de l’eau avec les pores GO. La tension superficielle se produit parce que les molécules comme l’eau veulent coller les unes aux autres. Confinées dans un espace suffisamment restreint, les liaisons entre l’eau (cohésion) et les surfaces solides environnantes (force d’adhérence) peuvent agir pour déplacer l’eau. Cela explique comment les arbres peuvent surmonter la gravité pour transporter l’eau de leurs racines à travers leurs capillaires jusqu’à leurs feuilles.

Dans les membranes GO – où les « capillaires » dans ce cas sont des pores fabriqués à une échelle de 1 millionième de millimètre ou moins – les forces mêmes qui permettent à l’eau de grimper dans les capillaires des arbres l’empêchent de s’écouler à travers les pores de la membrane.

« Si vous enfermez de l’eau dans des capillaires aussi petits que possible – quelques atomes seulement – ​​les molécules d’eau sont attirées si fortement qu’elles forment un réseau dense. Non perturbé, ce réseau est si fort que les molécules ne peuvent pas être libérées et passer à travers le tamis, même si le nombre de pores est augmenté », explique M. Foller.

Les écrans ultra-fins faits de différents matériaux ont un large éventail d’utilisations possibles. Les chercheurs affirment que leurs découvertes aideront les scientifiques à affiner le transport de liquide dans les tamis atomiques et pourraient stimuler des développements tels que des systèmes de filtration d’eau de haute précision.

« En comprenant quels paramètres augmentent ou diminuent le flux d’eau, nous pouvons optimiser de nombreuses applications possibles de l’oxyde de graphène pour la purification de l’eau, le stockage d’énergie, la production d’hydrogène, etc. », déclare M. Foller. « Nous espérons que d’autres ingénieurs et scientifiques pourront utiliser ces nouvelles connaissances pour améliorer leurs propres appareils et mener à de nouveaux développements à l’avenir. »


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Plus d’information:
Tobias Foller et al, Transport de masse via des nanopores dans le plan dans des membranes d’oxyde de graphène, nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c01615

Fourni par l’Université de Nouvelle-Galles du Sud

Citation: Les membranes d’oxyde de graphène révèlent un comportement inhabituel de l’eau à l’échelle nanométrique (5 août 2022) Extrait le 5 août 2022 de https://phys.org/news/2022-08-graphene-oxide-membranes-reveal-unusual.html

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