La lumière régule la séparation des ions
Une membrane récemment mise au point permet de modifier de manière sélective la perméabilité aux ions à l'aide de la lumière et d'une tension électrique.
Annonces
Le lithium, le magnésium, le potassium et de nombreux autres ions coexistent généralement dans les solutions naturelles et techniques. Les séparer les uns des autres de manière ciblée constitue un défi, notamment dans le domaine de l'extraction et du traitement des matières premières. Des chercheurs de l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces et de l’Université de l’Alberta, au Canada, ont désormais mis au point une membrane dont la capacité à séparer les ions peut être modulée à l’aide de la lumière et d’un champ électrique. Dans les conditions étudiées, la membrane a transporté les ions lithium plus de 200 fois plus efficacement que les ions magnésium. Pour les ions potassium, ce rapport dépassait 500. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue *Angewandte Chemie*.
Comment les ions se déplacent à travers la membrane
Les membranes contiennent de minuscules canaux à travers lesquels certains ions peuvent passer plus facilement que d’autres. Cependant, dans des systèmes complexes tels que les saumures, la séparation des ions s’avère plus difficile. Les ions sont entourés de molécules d’eau qui forment ce qu’on appelle une enveloppe d’hydratation, dont la taille et la force varient d’un ion à l’autre. Ces différences influencent fortement la facilité avec laquelle les ions individuels peuvent traverser des canaux étroits à l’échelle nanométrique.
Les ions monovalents tels que le lithium (Li⁺) ou le potassium (K⁺) portent une seule charge positive, tandis que le magnésium (Mg²⁺) en porte deux. En raison de leur hydratation différente et de leurs interactions avec les nano-canaux chargés, les ions se déplacent à des vitesses différentes. Les chercheurs exploitent cette différence pour séparer les ions monovalents des ions divalents.
Une membrane multicouche
Les chercheurs ont mis au point une membrane à structure hiérarchique composée de trois éléments. De l’oxyde d’aluminium anodisé, doté de nano-canaux alignés, sert de substrat. Il est recouvert d’une fine couche de nitrure de carbone, qui constitue le composant photoactif. La troisième couche est constituée d’un poly(liquide ionique), qui est appliqué sur la couche de nitrure de carbone et forme la surface chargée positivement de la membrane.
Le nitrure de carbone permet d’influencer le transport des ions depuis l’extérieur. En éclairant la membrane tout en lui appliquant simultanément une tension électrique, les conditions électriques à l’intérieur des nano-canaux chargés changent. Cela permet de contrôler quels ions peuvent traverser la membrane.
« La membrane fonctionne, en quelque sorte, comme un filtre contrôlable », explique Enis Oğuzhan Eren, premier auteur de l’étude. « À l’aide de la lumière et d’un champ électrique, nous pouvons déterminer quels ions sont prioritairement autorisés à traverser les nanocanaux. »
La lumière améliore la séparation des ions
Les chercheurs ont étudié l’ampleur de cet effet en utilisant, entre autres, des ions lithium et magnésium. Même en l’absence de stimuli externes, la membrane montrait une préférence pour les ions monovalents par rapport aux ions divalents.
En combinant l’irradiation lumineuse à une tension appliquée, la sélectivité ionique a été considérablement améliorée, atteignant environ 228 pour le lithium par rapport au magnésium et 560 pour le potassium par rapport au magnésium, dans des solutions complexes contenant plusieurs ions.
Un principe pour un transport ionique contrôlable
Ces résultats montrent que le transport des ions à travers des membranes nanométriques peut être influencé non seulement par la composition chimique et la structure du matériau. La lumière et la tension électrique peuvent également être utilisées pour modifier les interactions au sein des canaux et ainsi réguler de manière spécifique le transport de différents ions.
« Nos résultats montrent que le transport d’ions dans des canaux à l’échelle nanométrique peut être contrôlé de manière dynamique », explique Paolo Giusto, chef de groupe à l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces et chercheur principal du projet de collaboration bilatéral. « Cela jette les bases de membranes dont les propriétés de séparation peuvent être influencées par l’exposition à la lumière. »
À long terme, ce principe pourrait présenter un intérêt pour des applications dans lesquelles des ions spécifiques doivent être séparés de manière sélective à partir de solutions complexes. Il s’agit notamment, par exemple, des procédés de traitement et de récupération des matières premières. La séparation du lithium et du magnésium est particulièrement pertinente pour l’extraction du lithium, car le magnésium peut compliquer le processus de séparation lors du traitement de solutions contenant du lithium.
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.
Publication originale
Annonces
Autres actualités du département science
Ces produits pourraient vous intéresser
