[Flash Info Chimie] #54 Aquaporines artificielles en nanotube de carbone

Parmi les transporteurs transmembranaires, ces protéines en forme de tunnel qui permettent à des espèces chimiques de traverser les membranes des cellules, les aquaporines, découvertes en 1992, ont pour rôle de faire circuler sélectivement l’eau, mais sans les ions qui sont dissout dedans. Grâce à une structure qui ressemble à un sablier, les molécules d’eau sont contraintes de circuler les unes à la suite des autres dans le transporteur. Peter Agre et Roderick MacKinnon ont reçu le prix Nobel de Chimie en 2003 pour leur découverte, et l’élucidation de leur structure.

Vidéo disponible en téléchargement ici sur le site officiel des Prix Nobel. Dans cette modélisation, suivez la molécule d’eau colorée en jaune circuler dans l’aquaporine.

Ce type de composé intéresse beaucoup les chimistes pour la fabrication de membranes sélectives, ne laissant passer qu’une sorte de composé, qu’un seul ion, qu’un seul solvant. Les applications sont nombreuses, tant de le domaine énergétique (les batteries haute performance nécessitent de telles membranes), que dans celui de la dépollution, de la dessalinisation de l’eau de mer, etc…

Bon, venons-en au point qui nous intéresse… Qu’est-ce qui est nanométrique, long, creux, et qui fait fantasmer les chimistes ? Les nanotubes de carbone, évidemment !

Jusqu’à présent, l’utilisation de nanotubes de carbone comme transporteurs transmembranaires sélectifs d’eau a été décevante, les ions circulants assez librement à travers. L’idée de l’équipe de scientifiques californiens, menés par Ramya H. Tunuguntla, a été de réduire le diamètre intérieur de nanotubes, en passant de 1,5 nm de diamètre pour les études précédentes à 0,8 nm.
Avec une telle finesse les molécules d’eau sont contraintes, comme pour les aquaporines naturelles, de se mettre en file indienne, plutôt qu’avancer en groupe plus large. Mais grâce aux propriétés hydrophobiques des nanotubes, il existe très peu d’interaction entre les murs du tube, et les molécules d’eau.

à gauche : dans un nanotube large (~ 1,5 nm de diamètre intérieur) les molécules d’eau circulent, reliées entre elles par des liaisons intermoléculaires, en groupe qui occupe tout l’espace. à droite, dans les nanotubes plus fins (~ 0,8 nm) les molécules sont en file indienne, également liées par des interaction intermoléculaires (tiré de l’article de Tunuguntla et al.)

Contrairement à ce qu’on aurait pu imaginer initialement, l’eau circule dix plus vite dans ces nanotubes plus fins que dans ceux plus larges, en raison de cette disposition en file indienne. La vitesse (de 10¹⁰ à 10¹¹ molécules par seconde selon le pH) est également plus grande que dans les aquaporines naturelles, dont les parois internes forment ponctuellement des liaisons intermoléculaires avec les molécules d’eau, ralentissant ainsi leur progression.

La sélectivité ionique est également grandement augmentée : globalement, les anions (ions chargés négativement) ne passent pas, au contraire des cations (chargés positivement), jusqu’à des concentrations plus élevées que celle de l’eau de mer. Pour la désalinisation, cela pourrait éventuellement suffire : les anions et cations se baladant toujours ensemble (or exception causée par exemple par une tension électrique), si l’un des deux ne peut passer, l’autre ne passera pas non plus.

Reste encore beaucoup de travaux avant d’utiliser ces dispositifs pour du véritable dessalement ou de la purification d’eau ou d’ions à grande échelle… Il est cependant tout à fait intéressant de voir que des nanotechnologies pourraient dans le futur faire partie de solutions de dépollution / dessalement dans des installations de taille industrielles.

« Enhanced water permeability and tunable ion selectivity in subnanometer carbon nanotube porins » Tunuguntla et al., Science 357, 792–796 (2017)

A signaler, sur l’intérêt des nanotubes de carbone : nanogénérateurs hydroélectriques sur Pour La Science

About Mr Pourquoi

Ce blog est né il y a quelques années du désir de parler des sciences, de toutes les sciences, depuis les plus insignifiants phénomènes qu’on peut rencontrer dans la vie courante, jusqu’aux sujets de recherche les plus pointus, particulièrement en chimie, et pharmaceutique.

Je suis agrégé de chimie, docteur en chimie organique, et actuellement prof en lycée en France, et aussi, (et surtout ! ) un père heureux d’une famille (très) nombreuse.

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