Un nouvel outil pour caractériser les membranes
Des scientifiques ont mis au point une méthode inédite pour observer la diffusion de molécules à travers une membrane lorsque la concentration est identique de part et d’autre. En utilisant des molécules chirales, à la symétrie comparable à celle de nos mains, ils parviennent à mesurer l'énergie nécessaire au franchissement d'une membrane dense, un phénomène jusqu'ici inaccessible expérimentalement. Publiés dans Journal of Membrane Science, ces résultats ouvrent des perspectives pour la conception de procédés chimiques compartimentés.
Depuis le XIXeme siècle, la diffusion des molécules est décrite par les lois de Fick : lorsqu'une différence de concentration existe entre deux compartiments séparés par une membrane, les molécules migrent naturellement du milieu le plus concentré vers le moins concentré. Le phénomène d'osmose décrit quelques décennies plus tard par Jacobus van't Hoff repose sur le même principe. Mais que se passe-t-il lorsque les deux compartiments contiennent exactement la même concentration d'une même molécule ? Il est probable que les mouvements browniens continuent de faire passer des molécules d'un côté à l'autre sans qu’aucun flux ne soit observable. Jusqu'à présent, aucune mesure ne permettait cette observation.
Pour contourner cette difficulté, les scientifiques de l'Institut des sciences moléculaires de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université/Ecole Centrale Méditerranée) ont utilisé la chiralité, une propriété bien connue de certaines molécules. Deux molécules chirales, appelées énantiomères, sont l'image l'une de l'autre dans un miroir mais ne sont pas superposables, à l'image des mains droite et gauche. Dans un environnement non chiral, elles possèdent les mêmes propriétés physiques et diffusent donc de manière identique. Les scientifiques ont donc placé un énantiomère dans chacun des deux compartiments d'un réacteur séparés par une membrane dense en polymère. Au fil du temps, les molécules traversent la membrane et les deux compartiments deviennent progressivement des mélanges des deux énantiomères. En suivant cette évolution par chromatographie chirale, il devient possible de mesurer la vitesse de diffusion et d'en déduire l'énergie nécessaire au franchissement de la membrane.
Les scientifiques ont appliqué cette méthode à de nombreux couples d'énantiomères représentatifs de diverses familles de molécules organiques, dans différents solvants. Ils montrent que la diffusion dépend fortement de la nature chimique des molécules. La présence d'atomes d'oxygène ou d'azote, la capacité à former des liaisons hydrogène, la taille des chaînes carbonées, la présence de cycles aromatiques ou encore la nature du solvant influencent principalement l'énergie nécessaire pour traverser la membrane. Les résultats permettent ainsi d'établir une véritable échelle énergétique de la diffusion, allant de molécules qui franchissent la membrane en quelques heures à d'autres qui mettraient plusieurs années, voire plusieurs siècles, à diffuser dans les mêmes conditions.
Au-delà de son intérêt fondamental, cette approche offre un nouvel outil pour caractériser les membranes utilisées dans de nombreux procédés industriels. Elle pourrait faciliter le développement de systèmes chimiques compartimentés, dans lesquels des réactifs circulent d'un compartiment à l'autre tandis que les produits restent piégés, améliorant ainsi les procédés de séparation, de purification ou de synthèse.
Rédacteur : CCdM
Référence
Jingke Hou, Sabine Chevallier-Michaud, Luc Favre, Damien Hérault & Cyril Bressy
Chirality as a probe to evaluate energy transfer through achiral membrane in the absence of gradient of concentration
Journal of membrane science 2026
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S037673882600623X