Une pompe auto-alimentée exploite la lumière et la chimie pour cibler et capturer les polluants
Une équipe de Dartmouth met au point une pompe commandée par la lumière qui pourrait être utilisée pour la dépollution de l'environnement
Des chercheurs de Dartmouth ont mis au point une pompe auto-alimentée qui utilise la lumière naturelle et la chimie pour cibler et éliminer des polluants spécifiques de l'eau, selon un nouveau rapport publié dans la revue Science.
Montage expérimental d'une pompe activée par la lumière (au centre) mise au point par des chercheurs de Dartmouth. La lumière bleue dans la partie droite du filtre montre la filtration et la capture des chlorures et des bromures par des molécules synthétiques que les chercheurs ont conçues pour cibler des polluants spécifiques.
Ivan Aprahamian
Lorsque l'eau pénètre dans la pompe, une longueur d'onde lumineuse active un récepteur moléculaire synthétique conçu pour se lier aux ions chargés négativement, ou anions, une catégorie de polluants liés à des perturbations métaboliques chez les plantes et les animaux. Une deuxième longueur d'onde désactive les récepteurs lorsque l'eau sort de la pompe et leur fait libérer les polluants, les emprisonnant dans un substrat non réactif jusqu'à ce qu'ils puissent être éliminés en toute sécurité.
"Il s'agit d'une preuve de concept qu'il est possible d'utiliser un récepteur synthétique pour convertir l'énergie lumineuse en potentiel chimique afin d'éliminer un contaminant d'une source de déchets", explique l'auteur principal de l'étude, Ivan Aprahamian, professeur et président du département de chimie de Dartmouth.
La pompe est actuellement calibrée pour les polluants chlorure et bromure, mais les chercheurs travaillent à étendre son utilisation à d'autres polluants riches en anions, comme les déchets radioactifs et les phosphates et nitrates présents dans les eaux de ruissellement agricoles, qui sont à l'origine d'énormes zones mortes, explique Ivan Aprahamian.
"L'idéal serait d'avoir plusieurs récepteurs dans la même solution et de les activer avec différentes longueurs d'onde de la lumière", explique M. Aprahamian. "Vous pouvez cibler et collecter chacun de ces anions séparément.
La capacité inhabituelle du récepteur synthétique à piéger et à décharger les molécules chargées négativement a permis aux chercheurs de contrôler le flux d'ions chlorure d'une solution à faible concentration à une extrémité d'un tube en forme de U, vers une solution à forte concentration à l'autre extrémité. Selon l'étude, sur une période de 12 heures, ils ont déplacé 8 % des ions chlorure contre le gradient de concentration à travers une membrane contenant les récepteurs synthétiques.
Les chercheurs se sont concentrés sur le chlorure pour deux raisons. En hiver, les eaux pluviales chargées de sel de déneigement augmentent les niveaux de chlorure dans les cours d'eau, ce qui nuit aux plantes et aux animaux. D'autre part, le transport des ions chlorure joue également un rôle clé dans le bon fonctionnement des cellules. La maladie de la mucoviscidose est due à l'incapacité des cellules à évacuer l'excès de chlorure. Les ions piégés provoquent la déshydratation des cellules, ce qui entraîne une accumulation de mucus épais dans les poumons, entre autres organes.
En termes absolus, les ions chlorure ont été entraînés sur près de 1,4 pouce, soit la largeur de la membrane séparant les deux extrémités du tube. Par rapport à la taille minuscule du récepteur, ils ont parcouru une distance impressionnante, alimentés par la seule lumière. "C'est l'équivalent d'un coup de pied dans un ballon de football sur une longueur de 65 000 terrains de football", explique M. Aprahamian.
Le laboratoire d'Aprahamian s'intéresse depuis longtemps à une classe de composés synthétiques connus sous le nom d'hydrazones, qui s'allument et s'éteignent lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Pendant la pandémie de COVID, Baihao Shao, étudiant en doctorat, a eu l'idée d'améliorer le récepteur de l'hydrazone de manière à ce qu'il puisse à la fois collecter et libérer des anions cibles lorsqu'il est activé ou désactivé.
M. Aprahamian a tenté de l'en dissuader. "Je lui ai dit que même si l'idée était excellente, je ne pensais pas qu'elle serait compétitive par rapport aux autres récepteurs photosensibles impressionnants que l'on trouve dans la littérature", explique-t-il. "Heureusement, Baihao ne m'a pas écouté et il est allé de l'avant et a conçu le récepteur.
Non seulement le récepteur peut être contrôlé par une source d'énergie renouvelable, la lumière, mais il est relativement facile à fabriquer et à modifier, explique Aprahamian. Les chercheurs ont créé le récepteur en les assemblant à l'aide de la "click chemistry", une technique récompensée par le prix Nobel que le chimiste Barry Sharpless '63 a contribué à inventer quelques années après avoir obtenu son diplôme à Dartmouth.
Autre lien avec le prix Nobel, l'étude démontre le potentiel des machines moléculaires huit ans après que trois chimistes ont reçu le prix Nobel de chimie 2016 pour leur travail de développement de versions synthétiques. Les machines moléculaires sont abondantes dans la nature, alimentées par l'ATP dans les cellules animales et par le soleil dans les cellules végétales. Chez l'homme, de minuscules machines moléculaires effectuent une grande partie du travail au sein des cellules, de la réplication de l'ADN au transport de matériaux à travers la membrane cellulaire.
Pendant des décennies, les scientifiques ont essayé de reproduire ces machines miniaturisées à l'extérieur du corps, en rêvant de les appliquer à des tâches telles que la dépollution de l'environnement, l'administration de médicaments, le diagnostic et le traitement des maladies. Mais les machines moléculaires artificielles se sont avérées plus faciles à concevoir sur papier qu'à mettre en œuvre dans la vie réelle.
"Nous voulons imiter ces processus biologiques, en utilisant la lumière du soleil comme source d'énergie pour créer des systèmes de filtration autonomes et autosuffisants", explique M. Aprahamian.
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.
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