Des ions glissants facilitent l'accès à l'énergie bleue

L'énergie osmotique, souvent appelée énergie bleue, est un moyen prometteur de produire de l'électricité durable à partir du mélange naturel d'eau salée et d'eau douce. Elle exploite la tension qui apparaît lorsque les ions de l'eau salée traversent une membrane sélective aux ions pour rejoindre l'eau dont la concentration en sel est plus faible. Cependant, les membranes qui laissent circuler les ions rapidement sont généralement moins sélectives, et des défis tels que le maintien de la séparation des charges et la robustesse mécanique ont maintenu la plupart des systèmes d’énergie osmotique au stade expérimental.

Des scientifiques du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique (LBEN), dirigé par Aleksandra Radenovic, de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur, et du e Centre interdisciplinaire de microscopie électronique (CIME), ont publié un article dans Nature Energy qui montre comment ces défis peuvent être surmontés. Pour leur étude, les scientifiques ont lubrifié des nanopores à l'aide de minuscules bulles constituées de molécules lipidiques (liposomes). Normalement, les nanopores permettent un flux ionique très lent (mais très précis). Cependant, grâce à leur lubrification lipidique, les nanopores ont permis à certains ions de passer avec beaucoup moins de friction, ce qui a considérablement amélioré le transport ionique et les performances globales.

« Notre travail combine les atouts de deux approches principales en matière de récupération d'énergie osmotique : les membranes polymères, qui inspirent notre architecture à haute porosité, et les dispositifs nanofluidiques, que nous utilisons pour définir des nanopores fortement chargés », explique Alexandra Radenovic. « En combinant une configuration de membrane évolutive avec des canaux nanofluidiques conçus avec précision, nous obtenons une conversion de l’énergie osmotique hautement efficace et ouvrons la voie à des systèmes d’énergie bleue basés sur la nanofluidique. »

Optimisation grâce à la lubrification par hydratation

L'équipe a formé son revêtement lubrifiant à partir de bicouches lipidiques, des structures naturelles présentes dans les membranes cellulaires. Les bicouches lipidiques s'assemblent spontanément lorsque deux couches de molécules de graisse se rejoignent par leurs queues hydrophobes (qui repoussent l’eau), laissant leurs têtes hydrophiles (attirant l'eau) pointer vers l'extérieur. Lorsqu'elles se déposent sur les nanopores en forme de stalactites intégrés dans une membrane en nitrure de silicium, les têtes hydrophiles des bicouches attirent une très fine couche d'eau. Cette couche, dont l'épaisseur n'est que de quelques molécules, adhère au nanopore et empêche toute interaction directe avec les ions en circulation, réduisant ainsi la friction.

Pour démontrer leur méthode, l’équipe a fabriqué 1 000 nanopores recouverts de lipides, disposés selon un motif hexagonal. Lorsqu’il a été testé dans des conditions reproduisant les concentrations naturelles en sel de l’eau de mer et de l’eau douce des rivières, le dispositif a présenté une densité de puissance globale d’environ 15 watts par mètre carré. Cette valeur est deux à trois fois supérieure aux performances des technologies existantes basées sur des membranes polymères

Si des simulations ont suggéré que l'augmentation simultanée du flux ionique et de la sélectivité dans les canaux nanofluidiques pourrait stimuler la conversion d'énergie osmotique, les démonstrations expérimentales de cette amélioration combinée sont restées rares. « En montrant comment un contrôle précis de la géométrie des nanopores et des propriétés de surface peut fondamentalement remodeler le transport ionique, notre étude fait passer la recherche sur l'énergie bleue au-delà des tests de performance et dans une véritable ère de conception », déclare Tzu-Heng Chen, chercheur au LBEN.

Le premier auteur de l'étude, Yunfei Teng, ajoute que l'approche de « lubrification par hydratation » de l'équipe pourrait être utilisée non seulement pour faire progresser la conversion d'énergie osmotique, mais aussi pour optimiser d'autres systèmes nanofluidiques. « Le comportement de transport amélioré que nous observons, induit par la lubrification par hydratation, est universel, et le même principe peut être étendu au-delà des dispositifs d'énergie bleue », explique-t-il.