Des chercheurs préparent une nouvelle façon d'éliminer les microplastiques de l'eau

Chercheurs à Princeton Engineeringont trouvé un moyenpour transformer les aliments de votre petit-déjeuner en un nouveau matériau capable d'éliminer à moindre coût le sel et les microplastiques de l'eau de mer.

Les chercheurs ont utilisé des blancs d'œufs pour créer un aérogel, un matériau léger et poreux qui peut être utilisé dans de nombreux types d'applications, notamment la filtration de l'eau, le stockage d'énergie et l'isolation acoustique et thermique. Craig Arnold, professeur Susan Dod Brown de génie mécanique et aérospatial et vice-doyen de l'innovation à Princeton, travaille avec son laboratoire pour créer de nouveaux matériaux, y compris des aérogels, pour des applications d'ingénierie.

Un jour, assis dans une réunion de professeurs, il eut une idée.

"J'étais assis là, à regarder le pain dans mon sandwich", a déclaré Arnold. "Et je me suis dit, c'est exactement le genre de structure dont nous avons besoin." Il a donc demandé à son groupe de laboratoire de préparer différentes recettes de pain mélangées à du carbone pour voir s'ils pouvaient recréer la structure d'aérogel qu'il recherchait. Aucun d'entre eux n'a fonctionné correctement au départ, alors l'équipe a continué à éliminer les ingrédients au fur et à mesure des tests, jusqu'à ce qu'il ne reste finalement que des blancs d'œufs.

"Nous avons commencé avec un système plus complexe", a déclaré Arnold, "et nous avons continué à réduire, réduire, réduire, jusqu'à ce que nous en arrivions au cœur de ce qu'il était. Ce sont les protéines dans les blancs d'œufs qui conduisaient aux structures dont nous avions besoin."

Les blancs d'œufs sont un système complexe de protéines presque pures qui, lorsqu'elles sont lyophilisées et chauffées à 900 degrés Celsius dans un environnement sans oxygène, créent une structure de brins interconnectés de fibres de carbone et de feuilles de graphène. Dans un article publié dans Materials Today, Arnold et ses co-auteurs ont montré que le matériau résultant peut éliminer le sel et les microplastiques de l'eau de mer avec une efficacité de 98 % et 99 %, respectivement.

"Les blancs d'œufs fonctionnaient même s'ils étaient d'abord frits sur la cuisinière ou fouettés", a déclaré Sehmus Ozden, premier auteur de l'article. Ozden est un ancien associé de recherche postdoctoral au Princeton Center for Complex Materials et maintenant un scientifique au Aramco Research Center. Alors que des blancs d'œufs achetés en magasin ont été utilisés dans les tests initiaux, a déclaré Ozden, d'autres protéines similaires disponibles dans le commerce ont produit les mêmes résultats.

"Les œufs sont cool parce que nous pouvons tous nous y connecter et ils sont faciles à obtenir, mais vous devez faire attention à ne pas concurrencer le cycle alimentaire", a déclaré Arnold. Parce que d'autres protéines ont également fonctionné, le matériau peut potentiellement être produit en grande quantité à relativement peu de frais et sans impact sur l'approvisionnement alimentaire. Une prochaine étape pour les chercheurs, a noté Ozden, consiste à affiner le processus de fabrication afin qu'il puisse être utilisé dans la purification de l'eau à plus grande échelle.

Si ce défi peut être résolu, le matériau présente des avantages significatifs car il est peu coûteux à produire, économe en énergie à utiliser et très efficace. "Le charbon actif est l'un des matériaux les moins chers utilisés pour la purification de l'eau. Nous avons comparé nos résultats avec du charbon actif, et c'est bien mieux", a déclaré Ozden. Comparé à l'osmose inverse, qui nécessite un apport d'énergie important et un excès d'eau pour fonctionner, ce procédé de filtration ne nécessite que la gravité pour fonctionner et ne gaspille pas d'eau.

Bien qu'Arnold considère la pureté de l'eau comme un "grand défi majeur", ce n'est pas la seule application potentielle de ce matériau. Il explore également d'autres usages liés au stockage de l'énergie et à l'isolation.

La recherche comprenait des contributions des départements de génie chimique et biologique et des géosciences de Princeton et d'ailleurs. "C'est une chose de fabriquer quelque chose en laboratoire", a déclaré Arnold, "et c'en est une autre de comprendre pourquoi et comment." Les collaborateurs qui ont aidé à répondre aux questions du pourquoi et du comment comprenaient les professeurs Rodney Priestley et A. James Link du génie chimique et biologique, qui ont aidé à identifier le mécanisme de transformation des protéines du blanc d'œuf au niveau moléculaire. Des collègues de Princeton en géosciences ont participé aux mesures de filtration de l'eau.

Susanna Monti de l'Institut de chimie des composés organométalliques et Valentina Tozzi de l'Instituto Nanoscienze et NEST-Scuola Normale Superiore ont créé les simulations théoriques qui ont révélé la transformation des protéines de blanc d'œuf en aérogel.

L'article, "Aérogel monolithique hybride ultraléger dérivé de protéines d'oeuf pour la purification de l'eau", a été publié dans la revue Materials Today. Outre Arnold, Monti, Ozden, Priestley, Link et Tozzi, les auteurs incluent Nikita Dutta, une ancienne étudiante diplômée en génie mécanique et aérospatial qui est maintenant au National Renewable Energy Laboratory; Stefania Gill, John Higgins et Nick Caggiano de l'Université de Princeton ; et Nicola Pugno de l'Université de Trente et de l'Université Queen Mary de Londres. Le soutien a été fourni en partie par le Princeton Center for Complex Materials et la US National Science Foundation.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de l'Université de Princeton