Une équipe de chimistes du MIT et de l’Université Duke a découvert une façon contre-intuitive de rendre les polymères plus solides : introduire certaines des liaisons les plus faibles dans le matériau.
En travaillant avec un type de polymère connu sous le nom d’élastomère polyacrylate, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient décupler la résistance du matériau à la déchirure, simplement en utilisant un type de réticulant plus faible pour joindre certains des éléments constitutifs du polymère.
Ces polymères caoutchouteux sont couramment utilisés dans les pièces automobiles, et ils sont également souvent utilisés comme « encre » pour les objets imprimés en 3D. Les chercheurs étudient maintenant la possibilité d’étendre cette approche à d’autres types de matériaux, comme les pneus en caoutchouc.
dit Jeremiah Johnson, professeur de chimie au MIT et auteur principal de l’étude, qui apparaît dans les sciences.
Un avantage important de cette approche est qu’elle ne semble modifier aucune des autres propriétés physiques des polymères.
« Les ingénieurs en polymères savent comment rendre les matériaux plus résistants, mais cela implique toujours de modifier une autre propriété du matériau que vous ne voulez pas changer. Ici, l’amélioration de la ténacité s’accompagne d’aucun autre changement significatif des propriétés physiques – au moins nous pouvons mesurer cela – et est réalisé en remplaçant une petite partie.Juste de la matière totale, dit Stephen Craig, professeur de chimie à l’Université Duke qui est également l’un des principaux auteurs de l’article.
Ce projet est né d’une collaboration à long terme entre Johnson, Craig et le professeur Michael Rubinstein de l’Université Duke, qui est également l’auteur principal de l’article. L’auteur principal de l’article est Shu Wang, chercheur postdoctoral au MIT titulaire d’un doctorat. chez Duc.
maillon le plus faible
Les élastomères polyacrylates sont des voiles polymères constitués de brins d’acrylate liés entre eux par des molécules réticulantes. Ces blocs de construction peuvent être assemblés de différentes manières pour créer des matériaux aux propriétés différentes.
Une seule structure de ces polymères utilise souvent un réseau polymère en étoile. Ces polymères sont constitués de deux types de blocs de construction : l’un, une étoile à quatre bras identiques, et l’autre une chaîne qui agit comme un lien. Ces liens sont attachés à l’extrémité de chaque bras d’étoile, créant un filet de type volley-ball.
Dans une étude de 2021, Craig, Rubinstein et le professeur Bradley Olsen du MIT ont collaboré pour mesurer la résistance de ces polymères. Comme ils s’y attendaient, ils ont découvert que lorsque des joints d’extrémité plus faibles étaient utilisés pour maintenir les brins de polymère ensemble, le matériau devenait plus faible. Ces liaisons plus faibles, qui contiennent des molécules cycliques connues sous le nom de cyclobutane, peuvent être rompues avec beaucoup moins de force que les liaisons normalement utilisées pour joindre ces blocs de construction.
Dans le prolongement de cette étude, les chercheurs ont décidé d’étudier un type différent de réseau de polymères dans lequel les brins de polymère sont joints à d’autres brins à des emplacements aléatoires, plutôt que de se joindre aux extrémités.
Cette fois, lorsque les chercheurs ont utilisé des liaisons plus faibles pour maintenir ensemble les blocs de construction en acrylate, ils ont découvert que le matériau devenait plus résistant à la déchirure.
Les chercheurs pensent que cela se produit parce que les liaisons les plus faibles sont réparties de manière aléatoire sous forme de jonctions entre des filaments solides dans tout le matériau, plutôt que de faire partie des filaments finaux eux-mêmes. Lorsque ce matériau est étiré jusqu’à son point de rupture, toutes les fissures qui se propagent à travers le matériau essaient d’éviter les liaisons les plus fortes et passent à travers les liaisons les plus faibles à la place. Cela signifie que la fissure doit rompre plus de liaisons que si toutes les liaisons avaient la même force.
« Même si ces liens sont plus faibles, un plus grand nombre d’entre eux doivent être brisés, car la faille emprunte un chemin à travers les liens les plus faibles, ce qui finit par être un chemin plus long », explique Johnson.
Matériaux durables
En utilisant cette approche, les chercheurs ont montré que les polyacrylates avec des connexions plus faibles étaient neuf à 10 fois plus difficiles à déchirer que les polyacrylates fabriqués avec des molécules de réticulation plus fortes. Cet effet a été obtenu même lorsque les liaisons faibles ne représentaient qu’environ 2 % de la composition totale du matériau.
Les chercheurs ont également montré que cette composition modifiée ne modifiait aucune des autres propriétés du matériau, telles que la résistance à l’effondrement lorsqu’il était chauffé.
« Pour deux matériaux qui ont la même structure et les mêmes propriétés au niveau du réseau, mais qui ont une différence d’environ un ordre de grandeur dans la rupture, c’est très rare », explique Johnson.
Les chercheurs étudient actuellement si cette approche peut être utilisée pour améliorer la rigidité d’autres matériaux, dont le caoutchouc.
Plus d’information:
Xu Wang et al., La réversibilité face-mécanochimique des ligands polymères améliore la résistance à la déchirure, les sciences (2023). DOI : 10.1126/science.adg3229. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3229
Cette histoire est republiée avec la permission de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire couvrant les actualités liées à la recherche, à l’innovation et à l’enseignement au MIT.
