Le matériau sépare l'eau de ... l'eau

Une action de retournement dans un matériau poreux facilite le passage de l'eau normale pour la séparer de l'eau lourde.

11.11.2022 - Japon

Un groupe de recherche dirigé par Susumu Kitagawa, de l'Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) de l'université de Kyoto, au Japon, et Cheng Gu, de l'université technologique de Chine du Sud, en Chine, a fabriqué un matériau capable de séparer efficacement l'eau lourde de l'eau normale à température ambiante. Jusqu'à présent, ce processus était très difficile et consommait beaucoup d'énergie. Les résultats ont des implications pour les processus industriels - et même biologiques - qui impliquent l'utilisation de différentes formes de la même molécule. Les scientifiques ont présenté leurs résultats dans la revue Nature.

Les isotopologues sont des molécules qui ont la même formule chimique et dont les atomes se lient selon des arrangements similaires, mais au moins un de leurs atomes a un nombre de neutrons différent de celui de la molécule mère. Par exemple, une molécule d'eau (_H2O) est formée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Le noyau de chacun des atomes d'hydrogène contient un proton et aucun neutron. Dans l'eau lourde (_D2O), par contre, les atomes de deutérium (D) sont des isotopes de l'hydrogène dont le noyau contient un proton et un neutron. L'eau lourde a des applications dans les réacteurs nucléaires, en imagerie médicale et dans les recherches biologiques.

"Les isotopologues de l'eau sont parmi les plus difficiles à séparer car leurs propriétés sont très similaires", explique le spécialiste des matériaux Cheng Gu. "Notre travail a fourni un mécanisme sans précédent pour séparer les isotopologues de l'eau en utilisant une méthode d'adsorption-séparation."

Gu et le chimiste Susumu Kitagawa, avec leurs collègues, ont basé leur technique de séparation sur un polymère de coordination poreux (PCP) à base de cuivre. Les PCP sont des matériaux cristallins poreux formés de nœuds métalliques reliés par des lieurs organiques. L'équipe a testé deux PCP fabriqués avec différents types de liants.

Ce qui rend leurs PCP particulièrement importants pour la séparation des isotopologues est que les lieurs se retournent lorsqu'ils sont modérément chauffés. Ce retournement agit comme une porte, permettant aux molécules de passer d'une "cage" du PCP à une autre. Le mouvement est bloqué lorsque le matériau est refroidi.

Lorsque les scientifiques ont exposé leurs "cristaux dynamiques à bascule" à de la vapeur contenant un mélange d'eau normale, lourde et semi-lourde, puis l'ont légèrement réchauffée, ils ont adsorbé l'eau normale beaucoup plus rapidement que les deux autres isotopologues. Il est important de noter que ce processus s'est produit à température ambiante.

"La séparation adsorptive des isotopologues de l'eau dans nos travaux est nettement supérieure aux méthodes conventionnelles en raison de la très grande sélectivité à température ambiante", déclare Kitagawa. "Nous sommes optimistes quant au développement de nouveaux matériaux guidés par nos travaux pour séparer d'autres isotopologues."

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