Une étude menée par l’Université de Virginie sur une classe de matériaux appelés polymères réticulés semble remettre en question la compréhension de longue date de la façon dont les matériaux, qui ont des propriétés uniques d’auto-guérison et d’écoulement, fonctionnent au niveau moléculaire.
La nouvelle découverte a des implications importantes pour la myriade de façons dont ces matériaux sont utilisés chaque jour, de l’ingénierie des plastiques recyclables à l’ingénierie des tissus humains pour contrôler la consistance de la peinture afin qu’elle ne tombe pas.
La découverte, publiée dans la revue Physical Review Letters, est rendue possible par de nouveaux polymères ligands développés dans le laboratoire de Cai à l’UVA College of Engineering and Applied Sciences par le chercheur postdoctoral Shifeng Nian et Ph.D. Myoeum Kim, étudiante. L’évolution révolutionnaire de THEORY Cai co-développée avant d’arriver à UVA en 2018.
« Shifeng et Myoeum ont essentiellement créé une nouvelle plate-forme expérimentale pour étudier la dynamique des polymères de liaison d’une manière qui n’était pas possible auparavant », a déclaré Kai.
« Cela nous a donné une nouvelle perspective sur le comportement des polymères et offre des opportunités d’améliorer notre compréhension des domaines d’étude particulièrement difficiles de la science des polymères. D’un point de vue technologique, la recherche contribue au développement de matériaux auto-cicatrisants aux propriétés personnalisées. ”
Les polymères sont des macromolécules constituées d’unités répétitives, ou monomères. En réarrangeant ou en combinant ces unités et en rafistolant leurs liaisons, les scientifiques peuvent concevoir des matériaux polymères aux propriétés spécifiques.
Les polymères peuvent également changer d’état, de solide et solide, comme le verre, à caoutchouteux ou même liquide en fonction de facteurs tels que la température ou la force – par exemple, en poussant un gel solide à travers une aiguille hypodermique.
Les polymères de liaison sont particulièrement distinctifs : leurs fractions – un terme général désignant des sous-unités moléculaires aux propriétés physiques personnalisables – sont maintenues ensemble par des liaisons réversibles, ce qui signifie qu’elles peuvent se séparer et se reconfigurer.
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Ce procédé permet des propriétés macroscopiques inaccessibles aux polymères conventionnels. En conséquence, les polymères réticulants apportent des solutions à certains des défis les plus urgents en matière de durabilité et de santé. Par exemple, les polymères réticulés sont utilisés comme modificateurs de viscosité dans les carburants, pour créer des polymères solides auto-cicatrisants et pour concevoir des biomatériaux dotés de propriétés physiques essentielles à l’ingénierie tissulaire et à la régénération.
L’une des clés du travail de l’équipe UVA a été de surmonter un avantage matériel qui a frustré les chercheurs pendant des années. En laboratoire, les scientifiques travaillent avec des matériaux dont les liaisons peuvent se rompre et se reformer sur des « échelles de temps de laboratoire », c’est-à-dire dans les délais qu’ils peuvent observer à travers des expériences. Cependant, dans presque tous les systèmes expérimentaux existants, les fragments s’agrègent en petits groupes, ce qui empêche une étude approfondie de la relation entre les liaisons réversibles et le comportement du polymère.
L’équipe de Cai a développé de nouveaux types de polymères de liaison dans lesquels les liaisons sont uniformément réparties dans tout le matériau et sur une large gamme de densités. Pour confirmer que leurs matériaux ne forment pas de grappes, les chercheurs se sont associés à Mikhail Zernenkov, un scientifique du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie. Ils ont mené des expériences à l’aide d’un instrument à rayons X sophistiqué – la ligne de lumière des interfaces de matière molle – dans la SOURCE DE LUMIÈRE SYNCHROTRON NATIONALE II pour révéler la structure interne des polymères sans endommager les échantillons.
Ces nouveaux ligands ont permis à l’équipe de Kay d’étudier attentivement les effets des interactions réversibles sur la dynamique des ligands.
La dynamique et le comportement font référence à des caractéristiques telles que la température à laquelle la molécule ralentit jusqu’à un état solide « vitreux », la viscosité (la liberté avec laquelle le matériau s’écoule) et l’élasticité (sa capacité à remonter après déformation). Souvent, une combinaison de ces caractéristiques est souhaitable pour concevoir, par exemple, un matériau biocompatible compatible avec les tissus humains qui peut se reconstituer après injection.
Depuis 30 ans, il est admis que lorsque les liaisons réversibles restent intactes, elles agissent comme des réticulations, ce qui donne une substance caoutchouteuse. Mais ce n’est pas ce que l’équipe UVA a trouvé.
En collaboration avec Shiwang Cheng, professeur adjoint au département de génie chimique et des sciences des matériaux de MSU et expert en dynamique des flux, l’équipe a mesuré avec précision le comportement d’écoulement des polymères sur une large gamme d’échelles de temps.
« Cela nécessite un contrôle minutieux de l’environnement local, comme la température et l’humidité des polymères », a déclaré Cheng. « Au fil des ans, mon laboratoire a développé une gamme de méthodes et de systèmes pour ce faire. »
L’équipe a découvert que les ligands peuvent ralentir le polymère et dissiper l’énergie sans créer de toile extensible. De manière inattendue, la recherche a montré que les interactions réversibles affectent les propriétés vitreuses des polymères plutôt que leur gamme viscoélastique.
« Nos polymères réticulants fournissent un système qui permet d’étudier séparément les effets des interactions réversibles [polymer] « Mouvement et comportement du vitré », a déclaré Tsai. « Cela peut fournir des opportunités pour améliorer la compréhension de la physique difficile des polymères vitreux tels que les plastiques. »
Grâce à leurs expériences, l’équipe de Kay a également développé une nouvelle théorie moléculaire qui explique le comportement des polymères liés, ce qui pourrait transformer la réflexion sur la façon de les concevoir avec des propriétés améliorées telles qu’une ténacité plus élevée et la capacité de s’auto-guérir rapidement.
référence: Nian S, Patel S, Chang S, et al. Dynamique des polymères réticulants à haute densité de liaisons inverses. Visage Rev. Litt. 2023 ; 130 (22): 228101. doi:10.1103/PhysRevLett.130.228101
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