Les ingénieurs du MIT ont synthétisé un nouvel hydrogel superabsorbant infusé de chlorure de lithium qui peut absorber une quantité d’humidité sans précédent, même dans des conditions désertiques. Ce matériau pourrait être utilisé à grande échelle pour la récupération passive de l’eau et l’amélioration de l’efficacité de la climatisation. (Concept de l’artiste)
Un nouveau matériau mis au point par les ingénieurs du MIT présente une absorption de vapeur « record ».
Les ingénieurs du MIT ont synthétisé un matériau superabsorbant capable d’absorber une quantité record d’humidité de l’air, même dans des conditions désertiques.
Lorsque le matériau absorbe la vapeur d’eau, il peut gonfler pour faire de la place à l’humidité. Même dans des conditions très sèches, avec une humidité relative de 30 %, le matériau peut extraire la vapeur de l’air et retenir l’humidité sans fuir. L’eau peut ensuite être chauffée et condensée, puis recueillie sous forme d’eau ultrapure.
Le matériau transparent et caoutchouteux est fabriqué à partir d’hydrogel, un matériau naturellement absorbant qui est également utilisé dans les couches jetables. L’équipe a amélioré la capacité d’absorption de l’hydrogel en y infusant du chlorure de lithium, un type de sel connu pour être un puissant dessicant.
Les ingénieurs du MIT ont synthétisé un matériau superabsorbant capable d’absorber une quantité record d’humidité de l’air, même dans des conditions désertiques. Les disques d’hydrogel gonflés d’eau sont illustrés. Crédit : Gustav Graeber et Carlos D. Díaz-Marín
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient infuser l’hydrogel avec plus de sel que ne le permettaient les études précédentes. Ils ont ainsi observé que le gel chargé en sel absorbait et retenait une quantité d’humidité sans précédent, à différents niveaux d’humidité, y compris dans des conditions très sèches qui ont limité la conception d’autres matériaux.
S’il peut être fabriqué rapidement et à grande échelle, le gel superabsorbant pourrait être utilisé comme capteur d’eau passif, en particulier dans les régions désertiques et sujettes à la sécheresse, où le matériau pourrait absorber en permanence de la vapeur, qui pourrait ensuite être condensée en eau potable. Les chercheurs envisagent également que le matériau puisse être installé sur les climatiseurs en tant qu’élément de déshumidification permettant d’économiser de l’énergie.
« L’hydrogel peut stocker beaucoup d’eau et le sel peut capturer beaucoup de vapeur. Il est donc intuitif de vouloir combiner les deux », explique Gustav Graeber. Image microscopique d’un hydrogel sec chargé en sel. Crédit : Gustav Graeber et Carlos D. Díaz-Marín
« Nous avons été attentifs aux applications, en ce sens que nous nous concentrons principalement sur les propriétés fondamentales du matériau », explique Carlos Díaz-Marin, étudiant diplômé en génie mécanique et membre du laboratoire de recherche sur les dispositifs (Device Research Lab) du MIT. « Mais aujourd’hui, nous explorons des problèmes très différents, comme l’amélioration de l’efficacité de la climatisation ou la récupération de l’eau. Ce matériau, en raison de son faible coût et de ses performances élevées, a un potentiel énorme. »
Díaz-Marin et ses collègues ont publié leurs résultats dans un article paru récemment dans la revue Advanced Materials. Les co-auteurs de l’étude au MIT sont Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu et Evelyn Wang.
Sommaire
« Le meilleur des deux mondes
Au MIT’s Device Research Lab, les chercheurs conçoivent de nouveaux matériaux pour résoudre les problèmes d’énergie et d’eau dans le monde. À la recherche de matériaux capables de capter l’eau de l’air, l’équipe a jeté son dévolu sur les hydrogels, des gels glissants et extensibles constitués essentiellement d’eau et d’un peu de polymère réticulé. Les hydrogels sont utilisés depuis des années comme matériau absorbant dans les couches, car ils peuvent gonfler et absorber une grande quantité d’eau lorsqu’elle entre en contact avec le matériau.
« Notre question était la suivante : comment faire pour que cela fonctionne aussi bien pour absorber la vapeur de l’air ? explique Díaz-Marin.
Ses collègues et lui ont fouillé dans la littérature et ont découvert que d’autres avaient expérimenté le mélange d’hydrogels avec différents sels. Certains sels, comme le sel gemme utilisé pour faire fondre la glace, sont très efficaces pour absorber l’humidité, y compris la vapeur d’eau. Le meilleur d’entre eux est le chlorure de lithium, un sel capable d’absorber plus de 10 fois sa propre masse d’humidité. Laissé seul en tas, le chlorure de lithium pourrait attirer la vapeur d’eau de l’air, mais l’humidité ne s’accumulerait qu’autour du sel, sans qu’il soit possible de retenir l’eau absorbée.
Les chercheurs ont donc tenté d’infuser le sel dans un hydrogel, produisant ainsi un matériau qui pourrait à la fois retenir l’humidité et gonfler pour accueillir plus d’eau.
« C’est le meilleur des deux mondes », explique Graeber, qui est maintenant chercheur principal à l’université Humboldt de Berlin. « L’hydrogel peut stocker beaucoup d’eau et le sel peut capturer beaucoup de vapeur. Il est donc intuitif de vouloir combiner les deux ».
Temps de chargement
Mais l’équipe du MIT a constaté que d’autres ont atteint une limite à la quantité de sel qu’ils pouvaient introduire dans leurs gels. Les échantillons les plus performants à ce jour étaient des hydrogels qui avaient été infusés avec 4 à 6 grammes de sel par gramme de polymère. Ces échantillons ont absorbé environ 1,5 gramme de vapeur par gramme de matériau dans des conditions sèches de 30 % d’humidité relative.
Dans la plupart des études, les chercheurs avaient auparavant synthétisé des échantillons en trempant des hydrogels dans de l’eau salée et en attendant que le sel s’infuse dans les gels. La plupart des expériences se sont terminées au bout de 24 à 48 heures, les chercheurs ayant constaté que le processus était trop lent et que peu de sel se retrouvait dans les gels. Lorsqu’ils ont testé la capacité du matériau résultant à absorber la vapeur d’eau, les échantillons ont très peu absorbé, car ils contenaient peu de sel pour absorber l’humidité en premier lieu.
Que se passerait-il si l’on laissait la synthèse du matériau se poursuivre, par exemple, pendant des jours, voire des semaines ? Un hydrogel pourrait-il absorber encore plus de sel si on lui en laissait le temps ? Pour répondre à cette question, l’équipe du MIT a réalisé des expériences avec du polyacrylamide (un hydrogel courant) et du chlorure de lithium (un sel superabsorbant). Après avoir synthétisé des tubes d’hydrogel par des méthodes de mélange standard, les chercheurs ont découpé les tubes en disques minces et ont laissé tomber chaque disque dans une solution de chlorure de lithium avec une concentration de sel différente. Ils ont retiré les disques de la solution chaque jour pour les peser et déterminer la quantité de sel qui s’était infusée dans les gels, puis les ont replacés dans leurs solutions.
Au final, ils ont constaté qu’en effet, avec plus de temps, les hydrogels absorbaient plus de sel. Après avoir trempé dans une solution salée pendant 30 jours, les hydrogels ont incorporé jusqu’à 24 grammes de sel, alors que le record précédent était de 6 grammes de sel par gramme de polymère.
L’équipe a ensuite soumis divers échantillons de gels chargés en sel à des tests d’absorption dans différentes conditions d’humidité. Ils ont constaté que les échantillons pouvaient gonfler et absorber plus d’humidité à tous les niveaux d’humidité, sans fuir. Plus particulièrement, l’équipe rapporte que dans des conditions très sèches de 30 % d’humidité relative, les gels ont capturé 1,79 gramme d’eau par gramme de matériau, ce qui constitue un « record ».
« Dans n’importe quel désert, pendant la nuit, l’humidité relative est aussi faible. Il est donc concevable que ce matériau puisse générer de l’eau dans le désert », explique M. Díaz-Marin, qui cherche à présent des moyens d’accélérer les propriétés superabsorbantes du matériau.
« La grande surprise inattendue a été de constater qu’avec une approche aussi simple, nous avons pu obtenir l’absorption de vapeur la plus élevée rapportée à ce jour », déclare Graeber. « Maintenant, nous allons nous concentrer sur la cinétique et sur la rapidité avec laquelle nous pouvons faire absorber de l’eau au matériau. Cela permettra d’effectuer un cycle très rapide, de sorte qu’au lieu de récupérer de l’eau une fois par jour, on pourrait en récolter peut-être 24 fois par jour ».
Référence : « Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels through Maximized Swelling-Induced Salt Loading » par Gustav Graeber, Carlos D. Díaz-Marín, Leon C. Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu et Evelyn N. Wang, 18 mai 2023, Advanced Materials.
DOI : 10.1002/adma.202211783
Cette recherche a été soutenue, en partie, par l’Office américain de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables et le Fonds national suisse de la recherche scientifique.