L'huile et l'eau peuvent ne pas se mélanger, mais l'ajout des bonnes nanoparticules à la recette peut convertir ces deux fluides non miscibles en un gel exotique avec des utilisations allant des batteries aux filtres à eau en passant par les fenêtres intelligentes à teinte changeante. Une nouvelle approche pour créer cette classe inhabituelle de matériaux souples pourrait les faire sortir du laboratoire et les mettre sur le marché.

Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Delaware ont trouvé ce qui semble être une meilleure façon de créer ces gels, qui font l'objet de recherches intenses depuis plus d'une décennie. Une partie de leur utilité potentiellement large est l'ensemble complexe de canaux microscopiques interconnectés qui se forment en leur sein, créant une structure semblable à une éponge. Ces canaux offrent non seulement des passages pour le passage d'autres matériaux, ce qui les rend utiles pour la filtration, mais donnent également au gel une grande surface interne, une caractéristique précieuse pour accélérer les réactions chimiques ou comme échafaudage sur lequel les tissus vivants peuvent se développer.

Bien que ces avantages et d'autres donnent l'impression que les innovateurs du gel ont frappé le pétrole, leurs créations ne se sont pas encore bien mélangées avec le marché. Les gels sont couramment formés de deux solvants liquides mélangés ensemble. Comme pour le pétrole et l'eau, ces solvants ne se mélangent pas bien, mais pour les empêcher de se séparer complètement, les chercheurs ajoutent des nanoparticules conçues sur mesure qui peuvent rester à l'interface entre eux. Une cuisson soignée de ces ingrédients permet la formation d'un gel cohésif. Cependant, le processus est exigeant car la conception de nanoparticules personnalisées pour chaque application a été difficile, et la formation des gels a nécessité un changement de température rapide soigneusement contrôlé. Ces contraintes ont rendu difficile la création de ce type de gel en plus de petites quantités adaptées aux expériences de laboratoire plutôt qu'à l'échelle industrielle.

Comme décrit dans un nouveau Communications Nature papier, l'équipe du NIST/Delaware a trouvé des moyens d'éviter bon nombre de ces problèmes. Sa nouvelle approche forme ce que les chercheurs appellent un « SeedGel », une abréviation de « gel entraîné par la ségrégation des solvants ». Au lieu de concevoir des nanoparticules pour rester à l'interface entre les deux solvants, leurs particules choisies se concentrent dans l'un d'eux. Alors que ces particules ont tendance à se repousser, l'affinité des particules envers l'un des solvants est plus forte et les maintient ensemble dans le canal. En utilisant des outils de diffusion de neutrons au NIST Center for Neutron Research (NCNR), l'équipe a prouvé sans ambiguïté qu'elle avait réussi à concentrer les nanoparticules là où elle le voulait.

Le gel résultant pourrait être beaucoup plus facile à créer, car ses deux solvants sont essentiellement de l'huile et de l'eau, et ses nanoparticules sont du dioxyde de silicium - essentiellement de minuscules sphères de quartz commun. Il pourrait également avoir une variété d'utilisations industrielles.

"Notre SeedGel a une grande résistance mécanique, il est beaucoup plus facile à fabriquer et le processus est évolutif en fonction des besoins des fabricants", a déclaré Yun Liu, qui est à la fois scientifique du NCNR et professeur titulaire affilié à l'Université du Delaware. "De plus, il est thermo-réversible."

Cette réversibilité fait référence à une propriété optique que possède le SeedGel fini : il peut passer de transparent à opaque et vice-versa, simplement en changeant sa température. Cette propriété pourrait être exploitée dans des fenêtres intelligentes qui prennent en sandwich une fine couche de gel entre deux vitres.

"Cette propriété optique pourrait également rendre le SeedGel utile dans d'autres applications sensibles à la lumière", a déclaré Yuyin Xi, un chercheur de l'Université du Delaware travaillant également au NCNR. "Ils pourraient être utiles dans les capteurs."

Parce que l'approche de création de gel de l'équipe pourrait être utilisée avec d'autres combinaisons de solvant et de nanoparticules, elle pourrait devenir utile dans les filtres pour la purification de l'eau et éventuellement d'autres procédés de filtration en fonction du type de nanoparticules utilisées.

Liu a également déclaré que l'approche de création permet d'ajuster la taille des canaux dans le gel en modifiant la vitesse à laquelle la température change pendant le processus de formation, offrant aux concepteurs d'applications un autre degré de liberté à explorer.

"La nôtre est une approche générique qui fonctionne pour de nombreuses nanoparticules et solvants différents", a-t-il déclaré. "Cela étend considérablement les applications de ces types de gels."

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