Dans le secret des labs

Une passoire inversée auto-réparatrice qui ne laisse passer que les gros objets

bioinnovation
Une membrane auto-réparatrice qui agit comme un filtre inversé, bloquant les petites particules et en laissant passer les grosses, est le travail "tout droit sorti de la science-fiction" d'une équipe d'ingénieurs mécaniques de Penn State. Des chercheurs de l’université d’Etat de Pennsylvanie aux Etats-Unis viennent de fabriquer un nouveau type de membrane retenant uniquement les petites particules (de quelques millionièmes de mètre à plusieurs millimètres) laissant passer les plus grosses. Une passoire inversée en quelques sorte ! Explications.
 
La séparation des substances est au cœur de nombreux processus industriels et médicaux allant du traitement et de l'épuration des eaux usées au diagnostic médical. Les membranes conventionnelles à base de solides permettent aux particules d'une taille inférieure à une taille critique de passer à travers un pore de membrane tout en inhibant le passage de particules plus grandes que cette taille critique ; les membranes capables de montrer un comportement inversé, c'est-à-dire le passage de grosses particules et l'inhibition des petites particules, sont inhabituelles dans les applications conventionnelles en ingénierie. "Les filtres conventionnels, comme ceux utilisés pour faire le café, permettent aux petits objets de passer à travers tout en conservant les objets plus grands ", explique Birgitt Boschitsch, étudiante diplômée en génie mécanique.
Avec l'équipe de recherche, elle a toutefois mis au point un matériau liquide stabilisé qui filtre les petits objets tout en laissant passer les plus gros. La recherche a été publiée fin août en ligne dans Science Advances.
 
Inspirés par l'endocytose et les propriétés d'auto-guérison des liquides, les chercheurs de l’université de Pennsylvanie viennent de démontrer que les membranes autoportantes composées entièrement de liquide peuvent être conçues pour retenir des particules plus petites qu'une taille critique étant donné leurs propriétés inertielles.
Ils démontrent en outre que ces membranes peuvent être utilisées pour des applications jusque-là inatteignables, notamment comme barrières de particules qui permettent l'accès à des dispositifs macroscopiques à travers la membrane (par exemple, chirurgie ouverte) ou comme membranes sélectives inhibant le passage des gaz/vapeurs tout en laissant passer les solides (par exemple, gestion des déchets/odeurs).
 
Composée d’eau et de "surfactants" stabilisant l’interface entre l’air et le liquide, la membrane qu’ils ont fabriquée est fondée sur le principe qu’elle épouse les contours des objets qui la percent puis se reforme lorsqu’ils la traversent, mais seulement à partir d’une certaine dimension.
"Si vous mettez votre doigt dans un verre d'eau et que vous le retirez, la surface de l'eau s'auto-guérit ", explique Tak-Sing Wong, professeur en début de carrière chez Wormley Family et professeur adjoint en génie mécanique et biomédical.
Cette membrane nouvellement développée fait la même chose, mais contrairement aux filtres conventionnels, celle-ci ne sépare pas les objets par taille. Au lieu de cela, il répond à l'énergie cinétique, ou mouvement, d'un objet.
 
"Généralement, un objet plus petit est associé à une énergie cinétique plus faible en raison de sa masse plus faible, explique M. Wong. "Ainsi, le plus grand objet avec une énergie cinétique plus élevée passera à travers la membrane, tandis que le plus petit objet avec une énergie cinétique plus faible sera retenu."
 
De plus, la membrane s'enroule autour de l'objet lorsqu'il passe à travers, permettant à la membrane de se cicatriser complètement d'elle-même sur le dessus de l'objet qui passe à travers elle.
 
Dans sa forme la plus simple, la membrane peut être créée avec de l'eau et une substance qui stabilise l'interface entre le liquide et l'air, et a une structure similaire à celle d'une membrane cellulaire biologique. Pour créer le prototype initial, l'équipe a utilisé un simple film de savon. Les composants pourraient alors être modifiés et optimisés pour servir à des fins uniques, telles que l'amélioration de la robustesse mécanique, les propriétés antibactériennes ou la neutralisation des odeurs.
"Vous pourriez ajouter des composants qui prolongent la durée de vie de la membrane ou des composants qui lui permettent de bloquer certains gaz ", explique M. Boschitsch. "Il y a une infinité d'additifs potentiels à choisir pour adapter une membrane à l'application qui vous intéresse."
 

Pour quelles applications ?

Les propriétés uniques des membranes liquides permettent des applications qui n'étaient auparavant pas réalisables avec les technologies membranaires conventionnelles, y compris le piégeage d'entités microscopiques tout en permettant le passage d'objets macroscopiques, et la séparation sélective gaz-solide où la membrane laisse passer les solides en inhibant le passage du gaz.
Pendant des siècles, la séparation des particules a été un processus d'une grande importance. Aujourd'hui, son importance s'étend à plusieurs domaines allant du traitement médical et chirurgical au traitement des eaux usées et au dessalement de l'eau.
 
En chirurgie, cette membrane pourrait servir à opérer des patients, notamment dans des endroits non aseptisés) : les chercheurs envisagent un nombre illimité d'applications créatives et réelles pour la membrane. Si les médecins doivent pratiquer une chirurgie ouverte sans salle d'opération propre, une situation potentielle dans des régions éloignées ou sur des champs de bataille militaires, ce matériel pourrait servir de film chirurgical pour aider à reproduire l'environnement propre nécessaire à une opération sécuritaire.
Non seulement la membrane pourrait servir de barrière contre les particules, mais ses propriétés d'auto-guérison permettraient également aux dispositifs médicaux comme les instruments chirurgicaux de passer à travers tout en laissant les contaminants à l'extérieur.
« La membrane pourrait empêcher des germes, des poussières ou des allergènes d’atteindre une blessure ouverte, tout en permettant à un médecin de réaliser sans risque des actes chirurgicaux", explique Tak-Sing Wong.
 
La recherche peut également avoir un impact sur les régions en développement où il y a des problèmes d'assainissement.
"Un milliard de personnes dans le monde défèquent encore ouvertement pour de nombreuses raisons, l'une d'elles étant que les latrines sentent mauvais," explique Boschitsch. "Mais si on pouvait l'appliquer à ces toilettes, les déchets solides pourraient passer à travers la membrane, tandis que les gaz responsables des odeurs resteraient piégés."
 
C'est le potentiel d'impact réel qui inspire l'équipe.
"J'ai toujours été intéressé par le développement de technologies qui peuvent aider directement les gens ", déclare M. Boschitsch. "Faire quelque chose qui puisse relever un défi auquel l'humanité est confrontée, dans un pays en voie de développement par exemple, est quelque chose que je trouve significatif."
 
Pour l'avenir, l'équipe prévoit de poursuivre le développement de la membrane avec des fonctions améliorées et de collaborer avec d'autres chercheurs pour tester et adapter cette membrane à des applications pratiques. Pour Wong, "Le ciel est vraiment la limite".
 
Ce projet, financé par la National Science Foundation Graduate Research Fellowship de Boschitsch en plus de la NSF CAREER Award de Wong et de la Wormley Family Early Career Professorship, est la dernière innovation du Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering.
 
 

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