Et si l'impression 3D permettait la fabrication de matériaux aptes à assainir les eaux polluées ? C’est l’objectif d’une initiative portée par la chercheuse Mona Semsarilar, et deux post-doctorants, Chaimaa Gomri et Tarek Benkhaled, à l'Institut européen des membranes de Montpellier. Baptisé Cleaneau, ce projet – soutenu depuis janvier dernier par le programme d’accélération des start-up Rise du CNRS - s'applique à développer un matériau capable de retenir sélectivement diverses catégories de contaminants. L'innovation réside aussi dans la possibilité de modeler la morphologie du matériau grâce à l'impression 3D afin d’augmenter ses performances d'adsorption.
Cleaneau se concentre particulièrement sur les substances per- et polyfluoroalkylées, communément désignées par l'acronyme PFAS. Cette vaste famille, comprenant plus de 4000 composés chimiques, est largement répandue dans divers produits de la vie courante tels que les textiles, les emballages alimentaires, les cosmétiques et les produits phytosanitaires. Cette utilisation généralisée a entraîné une contamination de l'eau, posant ainsi un problème à la fois environnemental et sanitaire, du fait de la non-dégradabilité de ces substances préjudiciables à la santé humaine et à la faune.
Des macrocycles fonctionnels pour se lier AUX PFAS
Pour remédier à la pollution de la ressource hydrique, l'équipe a mis au point un matériau adsorbant – capable de retenir des molécules ou des ions à sa surface – composé d'un macrocycle fonctionnel intégré dans un réseau de polymères réticulés. En chimie supramoléculaire, un macrocycle est une molécule cyclique de grande taille contenant des groupes fonctionnels spécifiques intégrés dans sa structure, susceptibles de servir de sites actifs pour des réactions chimiques ou des interactions sélectives avec d'autres molécules.
« Les macrocycles fonctionnels sont fréquemment exploités pour leur aptitude à reconnaître et à se lier à des molécules cibles, ce qui s'avère utile dans diverses applications telles que la catalyse, la séparation de molécules, ou encore le développement de médicaments, souligne Mona Semsarilar, chercheuse à l'Institut européen des membranes. Dans notre cas, nous les utilisons afin de combiner les avantages des matériaux répertoriés dans la littérature avec ceux issus de l'industrie, en vue d'obtenir une substance fonctionnelle dotée de performances élevées pour la capture des polluants, à moindre coût. »
Un matériau adaptable au type de polluant visé
Les composants constitutifs de la matrice du matériau peuvent être ajustés et réajustés pour capturer sélectivement différentes familles de contaminants chimiques. Plusieurs mécanismes interviennent dans ce processus de captation. En termes d'adsorption, des interactions physico-chimiques permettent l'élimination de certains polluants ciblés par les molécules constitutives du matériau dans l'eau. « Dans notre matériau, l'élimination se produit grâce au macrocycle qui le compose, et qui joue le rôle d'hôte vis-à-vis des polluants. Par ailleurs, des interactions électrostatiques favorisent également leur rétention », explique Tarek Benkhaled, post-doctorant.
L'avantage de ce matériau réside dans sa capacité à être « fonctionnalisé en fonction des polluants ciblés », ajoute-t-il. Cette fonctionnalisation repose sur des manipulations chimiques ainsi que sur la forme donnée au matériau, pouvant être modulée morphologiquement pour correspondre à des conditions spécifiques, grâce à l'impression 3D, « qui permet de fabriquer des objets poreux, avec une diffusion rapide et une excellente surface spécifique », note-t-il.
Recours à l'impression 3D pour maximiser l'adsorption
L'impression 3D, plus précisément par stéréolithographie (SLA), a été intégrée au processus de fabrication des matériaux adsorbants. Une résine liquide (visqueuse) contenant des polymères et des macrocycles photosensibles est solidifiée couche par couche à l'aide d'une lumière UV pour former l'objet souhaité.
Son utilisation représente l'ultime étape de la préparation du matériau et permet une mise en forme optimale de sa structure, avec une grande précision. « Cela nous permet d'optimiser les propriétés du matériau et d'améliorer ses performances en termes d'adsorption », commente Chaimaa Gomri, post-doctorante.
L'un des paramètres clés sur lequel Cleaneau travaille en impression 3D est le design pour augmenter la surface de contact du matériau avec les polluants, garantissant ainsi une meilleure performance en termes d'adsorption. « Nous avons opté pour une forme gyroïde cylindrique, car il s'agit d'une morphologie propice à l'obtention de pores et d'une surface de contact optimale, et qui peut être réalisée plus aisément grâce à l'impression 3D », précise-t-elle.
Cleaneau Création d’une start-up d'ici 2025
Le projet Cleaneau se situe actuellement au stade de développement TRL 4. À ce jour, le matériau a été testé pour l'adsorption de divers types de PFAS, et son efficacité a été démontrée pour la capture de l'iode. Les chercheurs travaillent actuellement sur son optimisation en y intégrant des fonctionnalités permettant l'adsorption de pesticides et de métaux lourds tels que le mercure, le lithium, l'arsenic et l'or.
En ce qui concerne l'impression 3D, si l’équipe maîtrise le processus pour la production de matériaux à des fins de test, elle envisage de relever le défi lié à la fabrication de grandes quantités, de l'ordre de la tonne, ce qui pourrait entraîner une augmentation du coût final du produit.
Dans l'ensemble, l'équipe envisage de mettre sur le marché une solution opérationnelle d'ici 2025, en créant une spin-off ou une start-up spécialisée dans la commercialisation de ce matériau innovant. « L'application principale envisagée est le traitement des effluents industriels », laissent entendre les porteurs de ce projet.
