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Un tamis moléculaire plus performant et vert

La purification du gaz naturel

Le gaz naturel extrait du sol a besoin que l'on élimine l'eau et le dioxyde de carbone qu'il contient, afin que seul le méthane reste présent. Dans l'optique de développer des procédés industriels plus efficaces de séparation de gaz, une équipe de chercheur·euse·s a conçu un nouveau matériau poreux, KAUST-8. De la famille des MOF (metal organic framework), extrêmement stable et facilement recyclable, il s'agit d'un matériau cristallin poreux composé d'ions métalliques d'aluminium associés à des ligands organique de type pyrazine.

Au-delà de la purification du gaz naturel, KAUST-8 peut aussi être utilisé comme un agent déshydratant. Il peut par exemple jouer un rôle de dessiccant en chimie, de déshumidificateur de l’air par absorption d’eau dans des systèmes de climatisation ou encore de protection de certaines substances contre la dégradation ou la corrosion sous l’effet de l’humidité. Ses performances de captage sélectif de l’eau, ses capacités de régénération à faible coût énergétique et son potentiel d'adaptation sont d'un intérêt majeur dans le domaine de l'énergie et de l'environnement, vers ce qui peut être qualifié de chimie verte.

Des structures poreuses qui piègent les molécules

Dans le domaine de la chimie, les matériaux poreux fonctionnent comme une éponge à l'échelle des molécules. Leur structure cristalline forme des pores de dimension nanométrique, soit une succession de canaux et de cages, qui permet d'adsorber des composés spécifiques en fonction de leur taille. L'industrie utilise généralement des zéolithes, une variété d'aluminosilicates stable chimiquement, efficace et facile d'utilisation. La régénération du matériau KAUST-8 est atteinte en chauffant à des températures beaucoup moins élevées que dans le cas des zéolithe, d'où un processus moins énergivore au cours des cycles d'utilisation.

Les simulations numériques ont prédit que KAUST-8 était capable de purifier le gaz naturel avec de meilleures performances que les zéolithes. D'un diamètre de seulement trente-six centièmes de nanomètres, les tunnels formés par les pores de KAUST-8 ne laissent pas le méthane pénétrer à l'intérieur du tamis, au contraire des molécules d'eau et de dioxyde de carbone. Par le jeu des interactions chimiques, l'eau reste piégée en se liant aux sites métalliques d'aluminium du matériau et le dioxyde de carbone en se liant aux atomes de fluor de la pyrazine. De plus, la structure et la chimie du matériau peuvent être modulées, afin de les adapter à la séparation d’autres molécules de tailles différentes comme le propane et le propylène qui joue un rôle majeur dans le domaine de la pétrochimie.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Guillaume Maurin, chercheur au CNRS.

Publié le 5 juillet 2017

En savoir plus

Un nouveau matériau pour purifier le gaz naturel, communiqué de presse du CNRS

Comment un matériau poreux peut-il trier les gaz ?, en direct des laboratoires de l'Institut de chimie

Représentation en trois dimensions de quelques molécules, sur Sciences en ligne

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Des rayonnements au service de la médecine
La journée mondiale de la radiologie, le 8 novembre, rend hommage à la découverte des rayons X par Wilhelm Conrad Röntgen, en 1895. Le début d'une histoire prometteuse.

Radiographie par Wilhelm Röntgen, (source : by Old Moonraker, [Domaine public], via Wikimedia Commons)

Une découverte due au hasard

C’est le 8 novembre 1895 que Wilhelm Conrad Röntgen découvre les rayons X, totalement par hasard, en s’intéressant à un mystérieux phénomène : le rayonnement cathodique. Ce rayonnement était produit grâce à un dispositif appelé « tube de Crookes » : un tube en verre dans lequel on fait le vide et où passe une décharge électrique émise par deux électrodes. Alors que Röntgen étudiait le rayonnement émis dans le tube, il se rendit compte qu’une lueur était émise par une plaque luminescente posée sur un plan de travail. Cette lueur ne pouvait provenir des rayons cathodiques qui étaient arrêtés par l’air et le verre. Röntgen supposa donc qu’un autre type de rayons était à l’origine de ce phénomène. On raconte qu’il s’enferma pendant trois semaines pour étudier ces rayons qu’il appela rayons X. Cette découverte lui valut le premier prix Nobel de physique en 1901 et fut à l’origine de nombreuses avancées aussi bien en physique (découverte de la radioactivité), en chimie des matériaux (spectrographique) et surtout en médecine (radiographie et radiologie).

La radiologie : des inventions toujours plus ingénieuses pour observer l’intérieur du corps humain

La toute première radiographie fut effectuée par Röntgen lui-même. Il présenta la main de sa femme entre un émetteur de rayons X et une plaque photographique : les rayons sont plus ou moins absorbés par les matériaux qu’ils traversent (fortement par l’or, moyennement par les os, faiblement par les tissus musculaires). Il obtint ainsi une image en négatif des tissus traversés.

Depuis, la radiographie est devenue un outil indispensable pour l’examen médical et l’établissement d’un diagnostic dans un grand nombre de pathologies : fracture, malformation, arthrose, etc. Les plaques photographiques ont été remplacées par des récepteurs très sensibles connectés à un ordinateur qui rend une image numérique de très grande qualité, mais le principe est fondamentalement le même que celui utilisé par Röntgen. Le scanner (aussi appelé scanographie ou tomodensimétrie) qui a valu à ses inventeurs, Godfrey Hounsfield et Allan Cormack, le Prix Nobel de médecine en 1979, est venu compléter la radiographie simple. Il permet d’effectuer des images en coupe du corps dans les trois dimensions en tournant autour du patient pour effectuer l’examen.

Du fait de la très haute dangerosité des rayons X, l’utilisation de la radiographie est strictement encadrée par plusieurs directives de radioprotection. Les dispositifs d’imagerie médicale qui permettent une réduction des rayons ou une alternative à ceux-ci ont été largement salués par le corps médical et le grand public. Georges Charpak, prix Nobel de physique en 1992, est à l'origine du système EOS qui permet l’obtention d’images précises avec une moindre quantité de rayons X grâce à des capteurs ultrasensibles. Raymond Vahan Damadian, l’inventeur de l’IRM (Imagerie par Résonnance Magnétique), n’a jamais reçu le prix Nobel pour son invention, mais a été honoré par la Médaille nationale de la technologie aux Etats-Unis et le Prix des inventeurs Lemelson-M.I.T.

Aujourd’hui, ce sont les physiciens médicaux ou radiophysiciens qui sont chargés d’optimiser les applications des rayons X en thérapie et diagnostic, pour garantir la qualité et la sécurité de leur utilisation. Un métier à haute responsabilité, demandant une formation spécifique, au croisement de la physique, de la chimie et de la médecine.


Pour en savoir plus :

Sur Röntgen

Sur la radiologie

Sur le métier de radiophysicien

Pauline Armary
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