Plus d’un quart de la population mondiale n’a pas accès à l’eau potable. La tâche de purification de l’eau est encore compliquée par la nécessité de réduire au minimum la consommation d’énergie, non seulement pour réduire les coûts, mais aussi pour éviter d’aggraver le changement climatique et d’aggraver la pénurie d’eau. La purification de l’eau à base d’hydrogels thermosensibles est particulièrement intéressante car elle peut absorber l’eau comme une éponge provenant d’une source contaminée et, lorsqu’elle est essorée, libère de l’eau propre en n’utilisant aucune autre énergie que le soleil. Cependant, ce processus est lent. Maintenant, Xiaohui Xu et ses collègues dirigés par Rodney Priestley de l’Université de Princeton aux États-Unis rapportent « une percée pour surmonter le taux de réponse lent inhérent ».
À une certaine température critique, les hydrogels thermosensibles subissent un changement de phase, ce qui modifie leurs propriétés. L’hydrogel que Xu et ses collègues ont étudié – le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) – passe facilement d’hydrophile à hydrophobe à 34°C, de sorte que la lumière du soleil seule peut le faire passer de l’absorption d’eau à la libération de contaminants. Cependant, comme le souligne Xu, « l’hydrogel PNIPAm conventionnel a une structure à pores fermés, qui forme une couche de peau lors de la libération d’eau et conduit à un taux de réponse lent ». S’inspirant du luffa, qui fait une excellente éponge, elle et ses collègues se sont attaqués à ces problèmes structurels pour augmenter considérablement le taux d’absorption et de libération de l’eau.
Les chercheurs ont modifié la structure de l’hydrogel pour avoir des pores ouverts comme un luffa en changeant le processus de polymérisation. Xu raconte Monde de la chimie comment ils sont tombés sur l’approche alors qu’ils travaillaient sur un autre projet explorant les propriétés antigel de l’éthylène glycol (EG). «Nous avons constaté que lorsque nous polymérisons le PNIPAm dans l’EG et l’eau, le gel est opaque», dit-elle, le contrastant avec la transparence de l’hydrogel à pores fermés conventionnel dans l’eau. Une enquête plus approfondie avec un microscope électronique à balayage a révélé la structure en forme de luffa à pores ouverts qui s’était formée. Les chercheurs ont attribué le changement de structure à l’EG en concurrence avec l’hydrogel pour l’eau et à la faible solvabilité du PNIPAm dans le mélange eau/EG.
Avec cette structure à pores ouverts, le volume d’eau absorbé a été multiplié par quatre et, lorsqu’il est chauffé au-dessus de la température critique, l’hydrogel a libéré 70 % de cette eau en seulement 5 minutes. L’hydrogel PNIPAm conventionnel à pores fermés ne libère que 3 % de son eau sur la même période.
Les microplastiques, qui sont trop gros pour naviguer dans le réseau de pores ouverts de l’hydrogel PNIPAm de style luffa, sont naturellement filtrés. De plus, les chercheurs ont fonctionnalisé l’hydrogel avec de la polydopamine, qui a une grande affinité pour les contaminants comme les colorants et les métaux lourds, en les piégeant. Ils l’ont également fonctionnalisé avec du poly(méthacrylate de sulfobétaïne) zwitterionique. La couche d’hydratation qui en résulte empêche l’huile et les micro-organismes d’adhérer afin qu’ils ne soient pas adsorbés avec l’eau, ce qui lui confère des propriétés antisalissures. Le taux de collecte d’eau de l’hydrogel à pores ouverts fonctionnalisé était de 26,88 kg/m2/h, environ quatre fois plus qu’avec la structure à pores fermés.
Ensuite, les chercheurs prévoient de tester la capacité du gel à purifier l’eau contaminée par des substances polyfluoroalkylées, qui suscitent des inquiétudes pour la santé. Ils travaillent également au développement d’un hydrogel antibactérien capable de tuer efficacement les bactéries d’origine hydrique.
