En contrôlant la création de nanorouleaux d’oxyde de graphène, des chercheurs américains espèrent développer des membranes de filtration d’eau légères et bon marché. © nobeastsofierce, Shutterstock

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Les filtres à eau du futur, à graphène, seront efficaces et bon marché

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Par Nathalie Mayer, Futura

Une eau propre et accessible à tous, c'est l'un des objectifs du développement durable fixés par les Nations Unies. Or, filtrer l'eau très simplement, à travers une membrane et sans procédé chimique, c'est possible avec du graphène... mais c'est très cher. Obtenir du graphène pur est en effet difficile. Mais il y a près d'un an, des chercheurs démontraient qu'il est possible de faire la même chose avec une forme oxydée du graphène, imparfaite mais bien plus facile à produire. Explications.

Article de Nathalie Mayer paru le 13 avril 2016

Le graphène est régulièrement présenté comme un matériau miracle, notamment dans le secteur de l'industrie électronique. Hélas, les propriétés exceptionnelles que lui ont déjà découvertes les chercheurs sont bien compliquées et coûteuses à mettre en œuvre. C'est pour contourner la question du prix que des chercheurs américains du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et de l'université de Harvard se sont intéressés à l'oxyde de graphène. Les nanorouleaux qu'ils sont ainsi parvenus à produire pourraient servir à fabriquer, entre autres, des systèmes de filtration de l'eau à la fois efficaces et ciblés.

Ses propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, le graphène les tient de sa structure très particulière, hexagonale et régulière. Elle a donné aux chercheurs l'idée d'utiliser ce matériau pour la conception de membranes de purification de l’eau. Plus question ici d'éliminer chimiquement les polluants mais plutôt de les extraire physiquement. Et ce à l'aide de milliards de nanorouleaux de graphène empilés en couches et capables de capturer les polluants sélectivement. De quoi produire de l'eau très pure, sans goût désagréable ni mauvaise odeur.

Le hic, c'est qu'il coûte très cher de maintenir la pureté du graphène et de le mettre en œuvre au niveau industriel. Exposé à l'air, le graphène s'oxyde rapidement. Des chercheurs du MIT et de l'université de Harvard ont donc décidé d'exploiter cette forme oxydée, imparfaite puisque souillée d'atomes d'oxygène et d'hydrogène, mais meilleur marché que le matériau pur. À partir d'oxyde de graphène et en utilisant des techniques à ultrasons, ils ont produit des nanorouleaux de dimensions contrôlables. Des nanorouleaux aux propriétés mécaniques similaires à celles du graphène pour seulement une fraction de son coût.

Cette image en microscopie électronique montre quelques nanorouleaux d’oxyde de graphène. Le zoom sur la droite révèle la forme conique de ces minuscules rouleaux. © MIT, Havard University

Des techniques à ultrasons pour fabriquer des nanorouleaux

L'idée d'utiliser des nanorouleaux de graphène n'est pas nouvelle mais, comme on l'a dit, la technique est trop chère pour être exploitée industriellement. Des chercheurs avaient également déjà tenté de produire des nanorouleaux d'oxyde de graphène. Sans succès. Le résultat ressemblait plus à du papier - de graphène - froissé.

Les chercheurs américains ont d'abord mis en œuvre un procédé chimique dit de la méthode de Hummer pour produire des feuilles d'oxyde de graphène à partir de morceaux de graphite. Mis en solution, ces feuillets d’oxyde de graphène ont ensuite été stimulés à l'aide de deux procédés à ultrasons différents pour un même résultat : la formation spontanée de nanorouleaux.

Les chercheurs du MIT et de l'université de Harvard ont utilisé des sondes piézoélectriques qui, une fois alimentées et placées dans une solution, créent des ondes sonores soit à une fréquence de quelque 20 Hz, soit à une fréquence d'environ 390 Hz. Des ondes qui agitent le milieu et y font naître des bulles. Lorsque ces bulles explosent, elles libèrent une énergie suffisante pour initier la formation de nanorouleaux de forme conique à partir de feuillets d'oxyde de graphène. Et les résultats des chercheurs américains montrent qu'une fréquence plus élevée et un traitement plus court permettent de produire des nanorouleaux plus grands et inversement.

Pour l'heure, seulement 10 % des feuillets ont pu être convertis en nanorouleaux. Les chercheurs du MIT et de l'université de Harvard assurent toutefois que leur technique peut être améliorée pour obtenir de meilleurs rendements. Elle pourra alors être incluse à des procédés industriels existants, pour la production de membranes de filtration d'eau, bien sûr, mais aussi de capteurs chimiques ultralégers ou de vecteurs de médicaments.