L'énergie osmotique, également appelée énergie bleue, est une technologie qui exploite le processus naturel de mélange de l'eau de mer et de l'eau douce pour produire une électricité renouvelable. Lorsque les deux masses d'eau se rencontrent, les ions de l'eau de mer se déplacent à travers une membrane sélective ionique vers la zone de salinité plus faible, et la tension ainsi générée peut être collectée et convertie en électricité. Bien que son potentiel soit considérable, les membranes conçues pour permettre un passage rapide des ions ont souvent du mal à maintenir leur capacité de séparation des charges et présentent également des défis en termes de durabilité structurelle. C'est pourquoi la plupart des systèmes d'énergie osmotique restent au stade du laboratoire.
Des scientifiques du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en collaboration avec des chercheurs du Centre interdisciplinaire de microscopie électronique, ont présenté une solution technique pour relever ces défis. L'équipe, dirigée par Aleksandra Radenovic, a publié ses résultats dans la revue Nature Energy. Les chercheurs ont amélioré le mouvement des ions dans les canaux membranaires en recouvrant la surface des nanopores de minuscules vésicules lipidiques appelées liposomes. Dans des conditions normales, ces nanopores permettent aux ions de passer avec une grande précision mais à faible vitesse. Après l'application de la couche lipidique, des ions spécifiques peuvent traverser les pores plus facilement, et la réduction des frottements améliore l'efficacité du transport ionique et les performances globales du système.
Le revêtement lubrifiant utilisé dans l'étude est basé sur une bicouche lipidique, une structure courante dans les membranes cellulaires vivantes. Lorsque deux couches de molécules lipidiques s'assemblent avec leurs queues hydrophobes tournées vers l'intérieur et leurs têtes hydrophiles vers l'extérieur, ces structures bicouches s'organisent naturellement. Lorsqu'elles sont appliquées à des nanopores intégrés dans une membrane de nitrure de silicium, les groupes hydrophiles tournés vers l'extérieur attirent une couche extrêmement fine de molécules d'eau. Cette couche d'eau, d'une épaisseur équivalente à seulement quelques molécules, adhère étroitement à la surface des pores, réduisant ainsi l'interaction directe des ions avec les parois des pores et diminuant les frottements.
Pour vérifier l'efficacité de la conception, les chercheurs ont préparé un échantillon de membrane contenant 1000 nanopores revêtus de lipides, disposés en hexagone. Testé dans des conditions simulant la concentration saline naturelle à la jonction de l'eau de mer et de l'eau de rivière, le système a atteint une densité de puissance d'environ 15 watts par mètre carré, une valeur deux à trois fois supérieure à celle que permettent les technologies actuelles de membranes polymères.
Des simulations informatiques antérieures avaient suggéré qu'augmenter la vitesse d'écoulement des ions et la sélectivité dans les canaux nanofluidiques pouvait améliorer la production d'énergie osmotique, mais peu d'exemples expérimentaux avaient réussi à combiner ces deux améliorations. Radenovic a déclaré : « Notre recherche combine les avantages des deux principales méthodes de collecte d'énergie osmotique : les membranes polymères, qui nous ont inspirés pour construire une structure à haute porosité, et les dispositifs nanofluidiques, que nous utilisons pour définir des nanopores hautement chargés. En combinant une structure membranaire évolutive avec des canaux nanofluidiques conçus avec précision, nous avons réalisé une conversion efficace de l'énergie osmotique. » Le chercheur LBEN Zhicheng (Zhiheng) Chen a souligné que cette étude, grâce au contrôle précis de la géométrie et des propriétés de surface des nanopores, a modifié la manière dont les ions sont transportés, faisant passer la recherche sur l'énergie bleue de la phase de test des performances à la phase de conception.
Le premier auteur, Yunfei Teng, a ajouté que la portée de cette stratégie de « lubrification hydratée » pourrait s'étendre au-delà des systèmes d'énergie osmotique. Il a expliqué que le comportement de transport amélioré, induit par la lubrification hydratée, est universel et que le même principe pourrait être étendu à d'autres domaines en dehors des dispositifs d'énergie bleue. Ce projet a bénéficié du soutien du Centre interdisciplinaire de microscopie électronique, de la Plateforme de nanofabrication, de la Plateforme de caractérisation des matériaux et des infrastructures de calcul haute performance de l'EPFL.
Référence de la revue : Auteurs : Yunfei Teng, Zhicheng (Zhiheng) Chen, Nianduo Cai, Pratik Saud, Peiyue Li, Akhil Sai Naidu, Victor Boureau, Aleksandra Radenovic. Titre : « Optimization of charge and slip length in lipid bilayer-coated nanofluidics and application for enhanced osmotic energy harvesting ». Publié dans : Nature Energy, 2026. Auteurs : Yunfei Teng, Zhicheng (Zhiheng) Chen, Nianduo Cai, Pratik Saud, Peiyue Li, Akhil Sai Naidu, Victor Boureau, Aleksandra Radenovic. Titre : « Optimization of charge and slip length in lipid bilayer-coated nanofluidics and application for enhanced osmotic energy harvesting ». Publié dans : Nature Energy, 2026.
