Inspiré par la nature : un biophysicien développe un nouveau type de filtre microplastique

Il nage majestueusement dans les océans tropicaux : le manta géant. Cet habitant des mers, qui peut mesurer jusqu'à huit mètres de long et sept mètres de large, se déplace en faisant onduler ses nageoires, un peu comme un oiseau avec ses vols. Cette espèce de raie du diable peut peser jusqu'à deux tonnes et se nourrit entre autres de minuscules zooplanctons. Au cours de sa migration, la géante le filtre tout simplement dans l'eau. Pour ce faire, elle possède en son sein un système sophistiqué qui lui permet de séparer les petits organismes de l'eau.

D'un point de vue biophysique, ce système de filtration est très intéressant pour la séparation des microplastiques des liquides. Tim Robertino Baumann, doctorant à l'université de Bielefeld, travaille depuis près de deux ans à la transposition de cette méthode. Le biophysicien est en outre technologycout dans le projet de transfert InCamS@BI, l'Innovation Campus for Sustainable Solutions de l'université de Bielefeld (HSBI) et de l'université de Bielefeld. L'idée de sa recherche lui est venue d'une publication scientifique américaine, mais les chercheurs de ce pays n'ont pas poursuivi leur approche jusqu'à présent. Baumann a vu plus de potentiel que ses collègues américains - et à juste titre. Dans son projet "Bluewater", comme il a appelé son travail de master, il a pu montrer que la méthode fonctionne. Il veut maintenant optimiser "ses" filtres.

Microplastiques dans l'eau : le plus grand émetteur est l'habillement

Pour situer les choses : on appelle microplastiques des particules et des fibres solides et insolubles dans l'eau, composées de polymères synthétiques ou biologiques et souvent mélangées à des additifs. Leur diamètre est compris entre un micromètre et cinq millimètres - tout ce qui est plus petit appartient à la catégorie des nanoplastiques. Des contaminants, tels que des agents pathogènes ou des toxines, peuvent même s'accumuler sur la surface généralement assez rugueuse des particules. Comme les microplastiques passent à travers les stations d'épuration avec les méthodes de filtrage traditionnelles, ils sont désormais détectés presque partout : Dans les sols agricoles, dans les boues d'épuration, dans les eaux marines et fluviales, dans l'atmosphère, dans la neige, dans la glace arctique et dans les eaux profondes.

Par où commencer ? Tim Robertino Baumann a pris sa décision : dans l'eau. Si l'on regarde les microplastiques dans la mer, on peut constater que 35 pour cent des particules proviennent des vêtements synthétiques, 28 pour cent de l'usure des pneus et 24 pour cent des poussières fines urbaines. Le reste provient entre autres du marquage des routes, des revêtements de bateaux et des cosmétiques. Les vêtements sont donc les plus gros émetteurs. Selon des études, ils sont aujourd'hui composés à 60 % de fibres synthétiques. En particulier lorsque les textiles sont lavés, des particules et des fibres peuvent se détacher et se retrouver dans l'eau. Selon l'Agence fédérale allemande pour l'environnement, jusqu'à 2.000 fibres synthétiques provenant de vêtements en polaire se retrouvent dans l'environnement marin via les cours d'eau à chaque lavage. Comment peut-on y remédier ? Les consommateurs pourraient par exemple essorer moins, laver les textiles moins chauds et éviter de laver les tissus polaires avec des vêtements "durs" comme les jeans. Dans ce contexte, c'est toutefois l'industrie qui dispose du plus grand levier : elle pourrait proposer des machines à laver équipées de filtres à microplastiques, comme cela sera obligatoire en France à partir de 2025. Mais pour cela, il faut une technique qui fonctionne très bien.

Les microplastiques secondaires sont un danger pour les hommes et les animaux

Le projet InCamS@BI, dans lequel Baumann travaille en plus de son doctorat, est très interdisciplinaire et s'est spécialisé dans l'optimisation de la chaîne de création de valeur circulaire - notamment en ce qui concerne les matières plastiques. Les filtres à microplastiques s'inscrivent parfaitement dans cette thématique, car les microplastiques sont souvent un produit final des matières plastiques - et leur récupération n'est pas triviale. Si les produits en plastique ne sont pas éliminés correctement, ils finissent dans le pire des cas dans l'environnement où ils se dégradent en microplastiques. Les particules ainsi formées sont appelées microplastiques secondaires. En revanche, les microplastiques primaires sont fabriqués en si petites quantités qu'ils sont utilisés par exemple dans les cosmétiques ou les produits abrasifs.

Les microplastiques représentent un risque aigu et omniprésent, non seulement pour l'environnement, mais aussi pour les animaux et les hommes. Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), les microplastiques ont des effets sur les systèmes digestif, respiratoire, cardiovasculaire et reproductif, ainsi que sur les reins, le foie et la thyroïde. Comme ils ne peuvent être ni dissous chimiquement dans l'eau, ni biodégradés (sauf par des bactéries ou des espèces fongiques spécifiques), les microplastiques restent très longtemps dans le circuit et s'accumulent au fil du temps dans et autour des cellules ainsi que sur les composants cellulaires. Cette situation est particulièrement critique lorsque des toxines et des agents pathogènes ou des additifs nocifs fixés sur le plastique s'en détachent et provoquent ainsi des inflammations. "Sans tentatives ciblées de récupération, les microplastiques restent dans l'eau et représentent une extrémité morte dans le cycle du plastique", illustre Tim Robertino Baumann. "Mais avec une recherche fondamentale ciblée, cette partie du cycle peut être fermée et transférée de la recherche à l'industrie grâce au transfert qui s'ensuit. Nous pouvons ainsi résoudre les problèmes directement à la source".

Le filtre inspiré de la Manta : un système de canaux et de lamelles

Depuis sa décision, Tim Baumann a passé de nombreux mois dans les laboratoires de la faculté de physique de l'université de Bielefeld. Pour le jeune homme de 26 ans, les débuts ont été les plus difficiles : "J'ai essayé tellement de matériaux, j'ai travaillé avec différentes méthodes de collage, je suis allé au fond des choses, erreur après erreur - c'était souvent très frustrant", se souvient-il. "Mais il y a eu ce jour, après neuf ou dix mois de travail, où j'étais assis dans le bureau de ma mentor de l'époque, le Dr Martina Viefhues, vraiment démotivé parce que rien ne marchait. Elle m'a conseillé de continuer, elle était toujours optimiste. Je suis donc retournée au laboratoire - et tout à coup, ça a marché. J'étais sans voix et très heureux", raconte Baumann à propos de sa percée.

Le filtre qu'il a fabriqué a un aspect quelque peu inhabituel et ressemble à un système de canaux : entre un silicone fabriqué et moulé spécialement et une plaque de verre se trouve le canal d'écoulement à travers lequel l'eau mélangée aux microplastiques est pompée d'un côté avec une pression de dix bars - quatre à cinq fois celle d'un pneu de voiture. Les particules se déplacent tout droit dans le canal et atterrissent avec un peu d'eau dans le réservoir à "déchets". Le reste de l'eau, pure, cherche un autre chemin, à gauche et à droite du centre, autour de sortes de lamelles. En raison de la pression, elle ne repart pas, mais s'écoule dans un deuxième récipient, le récipient de "filtrat".

Baumann réalise d'abord un modèle sur ordinateur et simule le débit d'eau. Lorsque tout fonctionne sur l'ordinateur, il lance la production réelle. Cela signifie qu'il crée d'abord un masque avec lequel il produit ce qu'il appelle un masterwafer par photolithographie. Il en résulte un relief négatif de la structure, qui est moulé avec du silicone souple, un matériau que le scientifique mélange lui-même. Ensuite, le silicone est découpé, poinçonné et collé sur un verre à l'aide d'un procédé spécial appelé oxydation par plasma. L'expérience proprement dite peut ensuite commencer : L'échantillon est propulsé à travers le filtre à haute pression. Il se compose d'eau mélangée à des microparticules de plastique. Pour finir, on compare la concentration en particules des sorties du filtre, c'est-à-dire le "déchet" et le "filtrat".

L'impact de l'homme sur l'environnement n'est pas maîtrisé

Actuellement, la méthode permet de filtrer environ 81 pour cent des particules de l'échantillon. Les deux récipients (propre et contaminé) sont toujours à peu près aussi pleins après les essais. 25 millilitres de liquide sont "chassés" par minute à travers le filtre. A l'avenir, Baumann souhaite montrer que la technique fonctionne également avec une pression d'eau plus faible. Car : dans les ménages, l'eau coule généralement à environ 2,5 bars, soit seulement un quart de ce qu'il utilise actuellement dans ses expériences. Son objectif supplémentaire est d'obtenir encore plus d'eau propre.

Entre-temps, il a du soutien dans son laboratoire : Ioannis Gkekas rédige actuellement sa thèse de bachelor sous la direction de Tim Robertino Baumann. Gkekas modifie différents paramètres dans le filtre, adapte par exemple la forme des lamelles ou fait varier l'espacement. "La recherche ici est cool, car il y a beaucoup de potentiel dans les filtres. J'ai délibérément choisi ce travail parce que la pollution de notre environnement par les microplastiques est tout simplement pertinente d'un point de vue social", explique Gkekas, jeune scientifique. Le domaine de recherche scientifique sur lequel se base son travail est ce que l'on appelle la mircofluidique.

Le travail de master de Baumann est terminé, il prépare maintenant un doctorat sur ce thème sous la direction du professeur Dario Anselmetti et travaille à temps partiel comme technology scout dans le projet de transfert InCamS@BI. Dario Anselmetti explique pourquoi le transfert de la recherche est si important : "L'échange de connaissances et le transfert des résultats de la recherche sont la base du développement à long terme et durable de notre société éducative sur la base de la science factuelle. L'une des principales missions des universités et de leurs chercheurs, en tant que partie intégrante de cette société, est non seulement de publier leurs nouvelles connaissances dans des revues scientifiques, mais aussi de les mettre à la disposition des entreprises, des institutions publiques et de la société civile, le plus directement possible", a déclaré le vice-recteur chargé des études et de l'enseignement à l'université de Bielefeld. Ce n'est que de cette manière que les connaissances peuvent être transformées en produits et services innovants, contribuant ainsi au renforcement de l'économie et à la création de nouveaux emplois d'avenir. "Aujourd'hui, nous avons reconnu depuis longtemps que notre mode de vie, souvent encore trop gourmand en ressources, met en danger notre propre base vitale, l'homme lui-même étant devenu une sorte de facteur géologique. La pollution de notre environnement par les microplastiques, à peine connue il y a dix ans, en est l'une des manifestations. Proposer ici des solutions innovantes, c'est-à-dire rapides et réalisables, est un défi et scientifiquement extrêmement passionnant. Et c'est là qu'intervient le travail de Tim Baumann", explique l'expert. Son doctorant, Baumann, expert en microfluidique, ajoute : "En tant que scientifique, je ne veux pas éviter les défis, mais regarder en eux".

L'objectif est une application à grande échelle dans les stations d'épuration, les appareils ménagers et les installations de traitement.

Baumann en est convaincu : "Dans ce travail, il faut se rendre à l'évidence : Tout commence par un problème et se termine par un autre". Une fois que le système de filtration fonctionne en laboratoire avec des propriétés améliorées, la technique doit bien sûr trouver le chemin de l'application. Le rêve de Baumann est de poursuivre ses recherches sur les filtres jusqu'à ce qu'ils puissent effectivement être utilisés dans les stations d'épuration, les lave-linge ou lave-vaisselle, les installations de retraitement ou comme filtres d'entrée pour les conduites d'eau domestiques. "Peut-être que je créerai alors une entreprise, qui sait ?", réfléchit-il. Son grand objectif : développer une solution bonne et bon marché pour une utilisation de masse, avec un débit aussi élevé que possible et une large gamme de tailles de particules à extraire. Si, à l'avenir, des particules de l'ordre du micromètre peuvent être filtrées, des applications autres que les microplastiques sont envisageables, par exemple comme filtre à eau potable contre les micro-organismes.

Ce qui fascine encore Baumann aujourd'hui, c'est que "la nature fournit souvent la solution aux problèmes qui la concernent" - sans l'exemple de la raie manta géante, la recherche n'aurait peut-être même pas eu cette idée. Car si les filtres de Baumann peuvent être utilisés un jour et que moins de microplastiques sont rejetés dans l'environnement marin, nous ne serons pas les seuls à en profiter - les raies manta géantes aussi.