filtre_eau_alan_turing_2018

Des chercheurs en Chine ont mis au point un filtre qui élimine le sel de l’eau jusqu’à trois fois plus vite que les filtres conventionnels. La membrane a une nanostructure unique de brins tubulaires, inspirée par le travail de mathématique et de biologie du codebreaker Alan Turing.

Le filtre est l’exemple le plus finement construit des «structures de Turing» du mathématicien, et leur première application pratique, expliquent les chercheurs. «Ces structures 3D sont assez extraordinaires», selon Patrick Müller, biologiste des systèmes au laboratoire Friedrich Miescher de Tübingen, en Allemagne. Les brins tubulaires du filtre, de quelques dizaines de nanomètres de diamètre, seraient impossibles à produire par d’autres méthodes, comme l’impression 3D, explique-t-il.

Le mathématicien britannique Alan Turing est surtout connu pour ses exploits de cryptanalyse pour le gouvernement britannique pendant la Seconde Guerre mondiale, et en tant que père de l’informatique et de l’intelligence artificielle. Mais il produisit également un ouvrage fondateur dans le domaine de la biologie mathématique en 1952, seulement deux ans avant sa mort.

Dans celui-ci, il proposait un modèle mathématique pour un processus par lequel les cellules d’un embryon pourraient commencer à former des structures – les membres, les os et les organes. Dans ce processus, deux substances réagissent continuellement l’une avec l’autre, mais se diffusent à travers leur récipient à des vitesses très différentes. Le réactif diffuseur plus rapide – appelé l’inhibiteur – repousse le plus lent, appelé l’activateur, en corrigeant efficacement le produit résultant dans un motif de raies. Cette terminologie a été inventée par les biologistes Hans Meinhardt et Alfred Gierer, qui ont formulé indépendamment une théorie équivalente en 1972.

Les motifs de repérage

Selon M. Müller, la question de savoir si un tel processus se produit réellement au niveau cellulaire a été vivement débattue. Mais ce comportement de réaction-diffusion a été invoqué pour expliquer les modèles dans la nature et la société, y compris les bandes des zèbres, les ondulations du sable et les mouvements des marchés financiers. Jusqu’à présent, les tentatives de synthétiser de telles structures en laboratoire se sont surtout limitées à des motifs 2D.

Une équipe dirigée par le spécialiste des matériaux Lin Zhang de l’Université de Zhejiang à Hangzhou, en Chine, a entrepris de créer une structure 3D de Turing à partir d’un polyamide, un matériau similaire au nylon, formé par une réaction entre la pipérazine et le chlorure de trimesoyle. Dans un procédé classique, le chlorure de trimésoyle diffuse plus rapidement que la pipérazine, mais la différence n’est pas suffisante pour produire une structure de Turing. L’astuce de Zhang était d’ajouter de l’alcool polyvinylique à la pipérazine, abaissant davantage sa vitesse de diffusion et lui permettant d’agir comme activateur de l’inhibiteur du chlorure de trimésoyle.

Le résultat est un maillage rugueux et poreux avec une nanostructure ressemblant à un modèle de Turing qui peut être vu sous un microscope électronique. L’équipe a pu produire des variantes montrant à la fois des points et des tubes – les deux types de structures auto-organisées prédites par le modèle de Turing.

structures de turingMembranes de type Turing à base de points et de tubes, vues au microscope électronique. Crédit: Z. Tan et al./Science

Les chercheurs étaient ravis de produire les structures de Turing, nous dit Zhang. Mais ils ont été plus surpris quand ils ont constaté que leurs membranes fonctionnaient comme des filtres à eau très efficaces – dépassant les filtres classiques en nylon.

La structure tubulaire du filtre lui confère une plus grande surface par rapport aux filtres conventionnels, ce qui augmente le flux d’eau à travers la membrane, explique Ho Bum Park, un scientifique de la membrane à l’Université Hanyang de Séoul. C’est une amélioration des structures membranaires conventionnelles, qui ressemblent à une série de crêtes et de vallées, explique-t-il. « C’est une approche vraiment intelligente. »

Dans les tests effectués par le groupe de Zhang, un passage à travers le filtre tubulaire de Turing a réduit de moitié la teneur en sel de table d’une solution légèrement saline. Il a également filtré d’autres sels comme le chlorure de magnésium de plus de 90%, et le sulfate de magnésium, ou sel d’Epsom, de plus de 99%. Les auteurs nous expliquent qu’un mètre carré de ce filtre peut traiter jusqu’à 125 litres d’eau par heure tout en étant pompé à une pression relativement basse d’environ 5 fois la pression atmosphérique. C’est trois fois plus rapide que les filtres commerciaux typiques, explique Zhang. Le filtre de Turing pourrait être utilisé pour purifier l’eau saumâtre et les eaux usées industrielles, explique Zhang.

D’autres barrières

Bien que la membrane soit efficace pour éliminer certaines impuretés, Park affirme que son efficacité relativement faible en éliminant le sel de table, pourrait rendre la désalinisation de l’eau de mer peu pratique. Zhang nous explique qu’il pourrait être utilisé pour pré-traiter l’eau de mer dans les usines de dessalement, avec le sel de table enlevé par des méthodes conventionnelles, telles que l’osmose inverse.

Müller explique que si cette technique peut être généralisée, de telles structures tubulaires pourraient également avoir des applications en médecine régénérative – par exemple en produisant des veines ou des os artificiels. « Et une fois que vous savez comment fabriquer des tubules, vous pouvez peut-être organiser ces choses dans des structures d’ordre supérieur – peut-être même des organes », explique-t-il. « Maintenant, ce serait l’application de rêve. »

Mais Müller note également qu’en raison de l’incertitude dans la prédiction de la formation de telles structures, elles pourraient être difficiles à reproduire dans d’autres matériaux. Même si cela s’avère être le cas, cette membrane est un hommage à l’impact de l’article de 1952 de Turing, explique Zhang. « C’est une partie de son héritage. »

source : Nature