Des nanomembranes avec des molécules à pores pour une filtration efficace

Cette méthode offre la promesse de nombreuses applications possibles dans les industries chimiques et pharmaceutiques.

05.09.2022 - Allemagne

Une équipe de l'université de Bielefeld, de l'université Queen Mary de Londres, de l'Imperial College London (tous deux au Royaume-Uni) et de l'université Northwestern d'Evanston (États-Unis) a produit une nouvelle race de nanomembranes polymères avec des molécules de macrocycle supramoléculaires alignées. Ces nouvelles nanomembranes présentent des propriétés qui promettent d'améliorer l'efficacité des processus de séparation largement utilisés dans les industries chimiques et pharmaceutiques.

Les industries chimiques et pharmaceutiques conventionnelles utilisent 45 à 55 % de leur consommation totale d'énergie pendant la production dans les séparations moléculaires. Afin de rendre ces processus plus efficaces, plus rentables, plus respectueux de l'environnement et donc plus durables, il convient de les remplacer partiellement ou totalement par de nouvelles stratégies de séparation faisant appel à des technologies membranaires innovantes et révolutionnaires.

En publiant leurs résultats dans la revue Nature, l'équipe montre que leurs nanomembranes polymères avec des macrocycles supramoléculaires alignés présentent des propriétés de filtration superbes et extrêmement sélectives qui dépassent celles des nanomembranes polymères conventionnelles actuellement utilisées dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Les nanomembranes polymères conventionnelles présentent une large distribution de la taille des pores qui ne peut être réglée avec précision.

Les matériaux filtrants courants ne sont pas très sélectifs et doivent également être exploités de manière énergivore en utilisant des pressions élevées. Pour transformer ces processus en processus plus efficaces sur le plan énergétique, plus rentables, plus respectueux de l'environnement et donc plus durables, il faut développer de nouvelles méthodes de séparation et de filtration", explique le professeur Dario Anselmetti de la faculté de physique de l'université de Bielefeld. Nos nanomembranes ne sont constituées que de quelques couches moléculaires et sont mieux définies par leur architecture, ce qui les rend beaucoup plus efficaces sur le plan énergétique et sélectif.

La méthode offre la promesse de nombreuses applications possibles

Dans cette nouvelle race de nanomembranes polymères, les macrocycles prédéfinis au niveau moléculaire sont alignés pour fournir des pores sub-nanométriques comme une passerelle de filtration très efficace qui sépare les molécules avec une différence de taille aussi faible que 0,2 newton-mètre. Les chercheurs montrent que l'agencement, l'orientation et l'alignement de ces petites cavités peuvent être réalisés par des molécules de macrocycles fonctionnalisés de manière sélective, dans lesquelles le bord supérieur avec des groupes hautement réactifs est préférentiellement orienté vers le haut pendant la réaction de réticulation. L'architecture orientée des macrocycles dans les nanomembranes a pu être vérifiée par diffusion de rayons X grand angle en incidence rasante (GI-WAXS). Cela permet pour la première fois de visualiser les pores sub-nanométriques des macrocycles sous microscopie à force atomique haute résolution sous ultravide, prouvant ainsi le concept d'exploitation de différentes tailles de nanopores en utilisant différentes identités de cyclodextrine avec une précision d'Angstrom.

Comme preuve de concept fonctionnel, ces nanomembranes sont appliquées à des séparations pharmaceutiques de grande valeur pour enrichir l'huile de cannabidiol (CBD), présentant une perméance à l'éthanol et une sélectivité moléculaire plus élevées que les membranes commerciales de pointe. Ce nouveau concept offre des stratégies réalisables pour orienter les matériaux poreux en nanopores dans les membranes qui peuvent fournir des séparations moléculaires précises, rapides et efficaces sur le plan énergétique.

Le Dr Zhiwei Jiang, désormais boursier EPSRC Future Leadership Fellow chez Exactmer Ltd UK, a déclaré : "La demande de produits pharmaceutiques dérivés du CBD a augmenté rapidement, en raison de leur grande efficacité dans le traitement de la dépression, de l'anxiété et du cancer. Les techniques actuelles de pointe pour séparer les molécules de CBD des extraits sont coûteuses et consomment beaucoup d'énergie. Les membranes peuvent offrir une alternative rentable et économe en énergie, mais nécessitent des séparations précises entre le CBD et d'autres composants naturels de dimensions similaires dissous dans le solvant de l'extrait. Par conséquent, un contrôle précis de la taille des pores de la membrane est essentiel pour cette opportunité. Dans notre travail, la taille des pores des membranes de macrocycles alignés peut être réglée avec une précision de l'ordre de l'angström, ce qui a permis d'augmenter d'un ordre de grandeur le transport du solvant et de tripler l'enrichissement en CBD par rapport aux membranes commerciales de référence. Cela étend le grand potentiel de l'application des membranes dans les industries à haute valeur ajoutée qui exigent une sélectivité moléculaire précise."

Rendre les pores des membranes visibles

À l'université de Bielefeld, avec Dario Anselmetti, le doctorant Niklas Biere a contribué à l'étude. Biere travaille avec la microscopie à force atomique.

Dans le cadre de sa thèse, il a mis au point cette technique sophistiquée qui permet de visualiser la nature des minuscules pores du filtre dans des conditions d'ultravide et à basse température (moins 200 degrés Celsius). Nous avons ainsi pu permettre à nos collègues londoniens de voir leurs membranes en détail et nous avons pu confirmer qu'elles étaient bien celles que l'on soupçonnait", explique M. Biere.

Avec cette méthode, la surface moléculaire de la nanomembrane est balayée par la pointe ultrafine et "atomiquement pointue" d'un capteur de force. Elle balaie la surface et écrase la nature moléculaire de la membrane dans un relief. L'image, qui a été créée dans l'ordinateur du laboratoire de Bielefeld, a permis de prouver que la membrane présente une distribution extrêmement étroite de la taille des pores, qui diffère selon la molécule de départ de cyclodextrine utilisée.

La nouvelle membrane filtrante est déjà disponible au format DIN A4 - une mise à l'échelle industrielle peut donc être facilement réalisée. Et les possibilités d'application pratique sont nombreuses : Grâce à la technologie des nanomembranes, une telle filtration peut peut-être être mise en œuvre manuellement ou avec un simple système de chauffage solaire", explique Dario Anselmetti. Pour Niklas Biere, la couche filtrante spécialisée offre des applications supplémentaires en médecine et en pharmacie : "Par exemple, dans les analyses de sang, les dialyses ou la production de médicaments".

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.