Le processus de séparation des molécules utiles des mélanges d’autres substances représente 15% de l’énergie du pays, émet 100 millions de tonnes de dioxyde de carbone et coûte 4 milliards de dollars par an.
Les fabricants commerciaux produisent des colonnes de matières poreuses pour séparer les nouveaux médicaments potentiels développés par l’industrie pharmaceutique, par exemple, ainsi que pour la production d’énergie et de produits chimiques, les sciences de l’environnement et la fabrication d’aliments et de boissons.
Mais dans une nouvelle étude, les chercheurs de la Case Western Reserve University ont découvert que ces matériaux de séparation fabriqués ne fonctionnent pas comme prévu car les pores sont tellement remplis de polymère qu’ils deviennent bloqués. Cela signifie que les séparations sont inefficaces et inutilement coûteuses.
Lydia Kisley, professeur adjoint de physique et chimie Ambrose Swasey à Case Western Reserve, a utilisé ce qui est connu sous le nom de microscopie à molécule unique pour constater que des solutions contenant des molécules d’intérêt principalement diffusées et adsorbées autour du bord extérieur des matériaux poreux, laissant le centre presque entièrement inutilisé.
La recherche était publié dans le journal Avancées scientifiques.
« Ces matériaux sont commercialisés comme » entièrement poreux « , mais ils ne le sont pas », a déclaré Kisley, qui a dirigé le travail. « Nous avons été vraiment surpris par cela. Pourquoi ce matériel ne fonctionne-t-il pas comme il a été conçu et est vendu au travail? »
Kisley, ainsi que les collègues professeur Burcu Gurkan et la professeure agrégée Christine Duval, du Département de génie chimique et biomoléculaire de la Case School of Engineering, voulaient savoir pourquoi.
La microscopie à fluorescence à molécule, une technique spécialisée qui permet aux scientifiques de visualiser et d’analyser le comportement des molécules individuelles, a permis à Kisley de voir la dynamique moléculaire à l’échelle nanométrique.
« Nous utilisons la lumière pour pouvoir observer des molécules individuelles », a-t-elle dit, « en brillant un laser Bluer pour amener les molécules à fluorescence en rouge. »
Gurkan et une chercheuse postdoctorale dans son laboratoire, Muhammad Zeeshan, ont d’abord testé les matériaux spécifiés par l’industrie, et non dans les conditions de solution qu’ils sont réellement utilisées, et ont constaté qu’ils avaient testé comme annoncé par les fabricants.
Mais en imaginant les mêmes matériaux dans des conditions utilisées dans les séparations réelles, Kisley a constaté que les fabricants ajoutaient tellement de matériaux de cellulose pour capturer des molécules qu’il a réellement bloqué les pores. L’utilisation d’un solvant pour éliminer le matériau supplémentaire a amélioré les séparations potentielles.
Kisley espère que leurs résultats aideront les fabricants à concevoir des séparations plus efficaces. « La moitié du coût de la mise sur le marché d’un nouveau médicament consiste à séparer les molécules, un processus qui peut être effectué entre 10 et 20 fois pour une substance », a-t-elle déclaré.
La technique de microscopie à molécule unique peut montrer comment les séparateurs fonctionnent réellement et prédisent leurs performances. S’il est adopté par l’industrie, cela pourrait éliminer les méthodes d’essai et d’erreur maintenant utilisées dans la science de la séparation, a-t-elle déclaré.
« Peut-être pourriez-vous obtenir des séparations plus efficaces et éliminer une étape entière », a-t-elle déclaré. « Pensez aux économies monétaires et temporelles. Nous pourrions converger plus rapidement sur un médicament réussi pour aider à traiter les maladies. »
Kisley a cité Ricardo Monge Neria, un étudiant diplômé de Case Western Reserve en physique, pour diriger la recherche expérimentale et rédiger l’article publié.
Rachel Saylor, professeur agrégé de chimie et de biochimie au Oberlin College, a également collaboré à l’étude, ainsi que des chercheurs de la Case School of Engineering Swagelok Center for the Surface Analysis of Materials.
Plus d’informations:
Ricardo Monge Neria et al, l’imagerie super-résolution révèle une résistance au transfert de masse dans les phases stationnaires fonctionnalisées, Avancées scientifiques (2025). Doi: 10.1126 / sciadv.ads0790. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0790