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Tchouri ou l'âge des comêtes

La mission Rosetta de l'ESA a montré que la comête « Tchouri » (67P Churyumov-Gerasimenko), sur laquelle l'atterrisseur de la sonde a fini par s'écraser, est composée à près de 40 % de molécules organiques. D'après les travaux de Jean-Loup Bertaux, du Laboratoire atmosphères, ...

Cassini, la descente finale

Une mission exceptionnelle

Cassini est un projet  d'exploration spatiale très ambitieux, avec une sonde qui aura passé près de 20 ans dans l'espace. La sonde Cassini elle-même est la première à être mise en orbite autour de Saturne, dont les missions Voyager ...

Alzheimer et l'immunité du cerveau

Qui est touché par la maladie d'Alzheimer ?

La maladie neurodégénérative d’Alzheimer est la cause la plus courante de démence, puisqu'elle serait à l’origine de près de 70% des cas. Ses premières ...

Vers un nouvel outil de génie génétique

Que sont les ARN circulaires ?

L'ARN, acide ribonucléique constitué principalement d'un seul brin de nucléotide, est une molécule non codante ou participant à l'expression du

Observation directe d'une exoplanète

L'instrument Sphère et ses techniques de détection

Comment détecter les exoplanètes ? L'entreprise est difficile puisque les planètes n'émettent pas de lumière par elles-mêmes, elles réfléchissent ...

La microfluidique pour réduire la pollution

La physique de la microfluidique

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L'accélération de l'expansion de l'Univers

Le modèle cosmologique à l'épreuve

Une des énigmes majeures de l'astrophysique est de comprendre l'accélération de l'expansion de l'Univers. Afin de caractériser la nature de l'énergie ...

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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La microfluidique pour réduire la pollution
Le projet MicroSphere développe un nouveau système microfluidique qui permet d'optimiser le dimensionnement des moteurs, pour une meilleure combustion et moins de pollution.

La physique de la microfluidique

La microfluidique, science des fluides au niveau du micromètre, est apparue au début des années 2000. Les phénomènes mettant en jeu les fluides existent partout dans la nature, entre la circulation de la sève vers les feuilles des arbres, le tissage des toiles par les araignées ou le transport du sang dans le corps humain. Dans les domaines de la recherche et de l'industrie, les systèmes microfluidiques trouvent des applications pour concevoir des mélangeurs et des réacteurs. Ils sont souvent comparés à la microélectronique. Cela se traduit par le développement de laboratoires sur puces, soit des systèmes de milliers de vannes micrométriques qualifiées de « microprocesseurs » microfluidiques.

En maîtrisant les écoulements, ce domaine de recherche explore les propriétés spécifiques liées à des dimensions microscopiques. À cette échelle, les forces de capillarité agissant sur les fluides sont prédominantes, la taille des canaux rend l'écoulement stable donc de type laminaire et non turbulent, les échanges de chaleur sont très rapides. Grâce à ces phénomènes, la miniaturisation des systèmes, en plus de remplacer des instruments encombrants et de réduire les volumes d'expérience, accélère les mesures, garantit une meilleure sûreté de l'environnement et automatise les processus sans dégradation des performances.

Ses champs d'application sont très variés, depuis les industries chimiques à la biochimie, en passant par la physique. Quelques exemples : détecter des molécules à l'état de traces pour l'environnement et l'agro-alimentaire, mettre au point des micro-réacteurs à plasma produisant du plastique plus vert, créer des systèmes automatisés contrôlés en physique, comprendre les interactions entre les cellules en biologie, améliorer le diagnostic du VIH ou d'autres maladies, développer de nouvelles thérapies contre le cancer fondés sur des médicaments encapsulés. Plus petit encore, la physique des nanotubes peut déboucher sur de nouvelles énergies, avec l'exemple des membranes convertissant l'énergie osmotique issue du mélange d'eau douce et salée.

Le projet Microsphere pour améliorer la combustion

Dans le domaine de l'énergie, plus précisément des moteurs à explosion, le projet Microsphere se penche sur la microexplosion. Le phénomène intervient lorsqu'une émulsion d’eau et de carburant est injectée dans la chambre d’une chaudière. L’eau liquide devient rapidement gazeuse, ce qui fragmente les gouttelettes d’émulsion et améliore la combustion du carburant, tout en réduisant le taux de suies et d’oxydes d’azote générés. Suivant la concentration en eau et la taille moyenne des gouttelettes dispersées, l'amélioration de la combustion et la diminution de la pollution est plus ou moins forte.

Actuellement, le débit de ces dispositifs reste lent, de l’ordre du millilitre par minute. Dans le cadre du projet Microsphere, différentes équipes ont conjugué leurs expertises respectives afin de développer un procédé d’émulsification assurant un débit plus élevé. Ils en ont optimisé les dimensionnements et la structure en fonction de la phase lipidique utilisée pour l’émulsion. Avec des débits atteignant pour l'instant 500 millilitres par minute, ces nouveaux systèmes microfluidiques sont capables d’alimenter en continu des chaudières ou des moteurs industriels.

Publié le 18 juillet 2017

En savoir plus

Comprendre la microfluidique, de l'Institut Pierre-Gilles de Gennes pour la microfluidique

Un nouveau système microfluidique pour une meilleure combustion et moins de pollution, sur CNRS Innovations

Infographie d'une émulsion, sur Sciences en ligne

Cycle d'un moteur à explosion, sur Sciences en ligne

Arthur Jeannot
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