Des membranes de graphène ultra-minces pour la filtration et la séparation
Les membranes pour la filtration et la séparation des liquides et des gaz sont une technologie importante dans différents secteurs, de l'approvisionnement en eau potable à la pétrochimie en passant par la technique médicale, la technologie des semi-conducteurs et les vêtements de sport. Les membranes en graphène développées à l'ETH Zurich promettent une séparation plus efficace sur le plan énergétique.
Karl-Philipp Schlichting, ETH Pioneer Fellow, s'est récemment entretenu avec nous de la nouvelle technologie de membrane en graphène.
Comment fonctionne la technologie du graphène ?
Les solutions membranaires traditionnelles ont souvent un inconvénient : leur transport de fluide plut?t lent, qui les rend co?teuses. A l'inverse, les membranes en graphène sont efficientes et efficaces.
Le graphène est une couche atomiquement mince d'atomes de carbone liés dans un réseau cristallin. Cette couche unique se trouve à la limite physique de la "finesse" (0,3 nanomètre) et est transparente à environ 97 % - donc à peine visible à l'?il nu. Le graphène lui-même est une barrière parfaite et ne laisse rien passer. Pour le transformer en membrane, de minuscules trous doivent être pratiqués dans le graphène. Le transport de substances à travers ces trous est extrêmement efficace, car le trajet d'un c?té à l'autre est très court. Le matériau est très stable thermiquement et mécaniquement, flexible et extensible, et peut également résister à des environnements chimiques extrêmes. Selon l'application, ces propriétés sont déterminantes.
Quel est le défi du développement des membranes de graphène et comment l'avez-vous relevé ?
Pour transformer le graphène en une membrane fonctionnelle, nous devons créer une forte densité de trous de même taille dans le réseau cristallin. Une partie de ma thèse de doctorat a consisté à développer ce processus. Dans ce procédé en attente de brevet, nous créons dans une première étape des défauts de taille atomique qui définissent le nombre de trous. Dans une deuxième étape, nous enlevons progressivement des atomes autour des défauts et faisons ainsi cro?tre les trous. Cette méthode nous permet de contr?ler séparément le nombre de trous et leur taille moyenne.
Quelles sont les principales applications ?
La technologie des membranes en graphène permet de séparer les gaz et les liquides avec un large éventail d'applications - par exemple dans le dessalement de l'eau de mer, où les membranes sont utilisées pour filtrer les ions salins. Elle est également utilisée pour filtrer l'eau potable afin d'éliminer les nanoparticules. En outre, nous travaillons sur des solutions pour la microélectronique, la technique médicale et l'industrie pharmaceutique, qui ont toutes besoin d'une eau non polluée et très pure.
En outre, nous étudions des applications pour les membranes de graphène dans le traitement par hémodialyse. Les membranes de dialyse actuelles doivent faire un compromis entre la sélectivité et le débit, ce qui rend le traitement sous-optimal. Nos membranes peuvent changer cela et rendre le traitement plus efficace et efficient. Elles sont également prometteuses pour la séparation des gaz dans l'industrie chimique, qui peut être gourmande en énergie selon le gaz utilisé. Enfin, les membranes de graphène peuvent également être utilisées pour des vêtements fonctionnels, par exemple des vestes de pluie. Elle est respirante, imperméable et - point très important - exempte des polymères fluorés que l'on trouve par exemple dans le matériau Gore-Tex (voir aussi Actualités ETH pour l'industrie, Dimpora).
La technologie est-elle déjà utilisée ?
Alors que la technologie des membranes en général est utilisée depuis un certain temps, la technologie des membranes en graphène est très récente et n'est pas encore utilisée commercialement. Pendant mon programme Pioneer Fellowship à l'ETH Zurich, j'évalue quelles applications doivent être poursuivies.
Quels sont vos projets pour l'avenir ?
Je discute actuellement avec des clients potentiels et des utilisateurs de différents secteurs. Ils ont tous des besoins très différents. L'objectif est de trouver des partenaires commerciaux qui souhaitent utiliser la technologie. En outre, je discute avec des investisseurs en capital-risque afin de préparer le prochain tour de financement et la création d'une entreprise.
Karl-Philipp Schlichting (source : ETH Zurich)
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