Des chimistes du MIT et de l’université Duke ont innové en décuplant la résistance des polymères par l’incorporation de liaisons plus faibles dans leur structure, une découverte qui n’altère pas les autres propriétés physiques des matériaux. Cette découverte pourrait avoir un impact significatif sur l’augmentation de la durée de vie des pneus en caoutchouc et la réduction des déchets microplastiques, entre autres applications.
En ajoutant des maillons faibles à un réseau de polymères, les chimistes ont considérablement amélioré la résistance du matériau à la déchirure.
Une équipe de chimistes du MIT et de l’université de Duke a découvert un moyen contre-intuitif de rendre les polymères plus résistants : introduire quelques liaisons plus faibles dans le matériau.
En travaillant avec un type de polymère connu sous le nom d’élastomères de polyacrylate, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient multiplier par dix la résistance des matériaux à la déchirure, simplement en utilisant un type de réticulant plus faible pour relier certains des blocs de construction du polymère.
Ces polymères semblables au caoutchouc sont couramment utilisés dans la fabrication de pièces automobiles, ainsi que comme « encre » pour les objets imprimés en 3D. Les chercheurs étudient maintenant la possibilité d’étendre cette approche à d’autres types de matériaux, tels que les pneus en caoutchouc.
« Si vous pouviez rendre un pneu en caoutchouc 10 fois plus résistant à la déchirure, cela pourrait avoir un impact considérable sur la durée de vie du pneu et sur la quantité de déchets microplastiques qui se détachent », explique Jeremiah Johnson, professeur de chimie au MIT et l’un des principaux auteurs de l’étude, qui a été publiée le 22 juin dans la revue Science.
Lorsque ce réseau de polymères est étiré, les liaisons de réticulation les plus faibles (en bleu) se rompent plus facilement que les brins de polymères les plus forts, ce qui rend plus difficile la propagation d’une fissure à travers le matériau. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs, édité par MIT News
Un avantage important de cette approche est qu’elle ne semble pas altérer les autres propriétés physiques des polymères.
« Les ingénieurs en polymères savent comment rendre les matériaux plus résistants, mais cela implique invariablement de modifier d’autres propriétés du matériau que l’on ne souhaite pas changer. Ici, l’amélioration de la ténacité se fait sans autre changement significatif des propriétés physiques – du moins celles que nous pouvons mesurer – et elle est obtenue par le remplacement d’une petite fraction seulement du matériau global », explique Stephen Craig, professeur de chimie à l’université Duke, qui est également l’un des principaux auteurs de l’article.
Ce projet est le fruit d’une collaboration de longue date entre Johnson, Craig et Michael Rubinstein, professeur à l’université Duke, qui est également l’un des principaux auteurs de l’article. L’auteur principal de l’article est Shu Wang, un postdoc du MIT qui a obtenu son doctorat à Duke.
Sommaire
Le maillon faible
Les élastomères de polyacrylate sont des réseaux de polymères constitués de brins d’acrylate maintenus ensemble par des molécules de liaison. Ces blocs de construction peuvent être assemblés de différentes manières pour créer des matériaux aux propriétés variées.
Une architecture souvent utilisée pour ces polymères est un réseau de polymères 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 fait office d’élément de liaison. Ces éléments de liaison se lient à l’extrémité de chaque bras des étoiles, créant ainsi un réseau qui ressemble à un filet de volley-ball.
Dans une étude réalisée en 2021, Craig, Rubinstein et Bradley Olsen, professeur au MIT, se sont associés pour mesurer la résistance de ces polymères. Comme ils s’y attendaient, ils ont constaté que l’utilisation d’éléments de liaison plus faibles pour maintenir les brins de polymère ensemble affaiblissait le matériau. Ces liens plus faibles, qui contiennent des molécules cycliques connues sous le nom de cyclobutane, peuvent être rompus avec beaucoup moins de force que les liens qui sont habituellement utilisés pour relier ces éléments de construction.
Pour donner suite à cette étude, les chercheurs ont décidé d’étudier un autre type de réseau de polymères dans lequel les brins de polymères sont réticulés à d’autres brins à des endroits aléatoires, au lieu d’être reliés aux extrémités.
Cette fois-ci, lorsque les chercheurs ont utilisé des liants plus faibles pour relier les blocs de construction en acrylate, ils ont constaté que le matériau devenait beaucoup plus résistant à la déchirure.
Selon les chercheurs, ce phénomène est dû au fait que les liaisons plus faibles sont réparties de manière aléatoire en tant que jonctions entre des brins par ailleurs solides dans l’ensemble du matériau, au lieu de faire partie des brins ultimes eux-mêmes. Lorsque ce matériau est étiré jusqu’au point de rupture, les fissures qui se propagent à travers le matériau essaient d’éviter les liaisons les plus fortes et de passer par les liaisons les plus faibles. Cela signifie que la fissure doit rompre plus de liaisons qu’elle ne le ferait si toutes les liaisons avaient la même résistance.
« Même si ces liaisons sont plus faibles, il faut en briser un plus grand nombre, car la fissure emprunte un chemin qui passe par les liaisons les plus faibles, ce qui finit par être un chemin plus long », explique M. Johnson.
Matériaux résistants
En utilisant cette approche, les chercheurs ont montré que les polyacrylates qui incorporaient certains agents de liaison plus faibles étaient neuf à dix fois plus difficiles à déchirer que les polyacrylates fabriqués avec des molécules de réticulation plus fortes. Cet effet a été obtenu même lorsque les réticulants faibles ne représentaient qu’environ 2 % de la composition globale du matériau.
Les chercheurs ont également montré que cette modification de la composition n’altérait aucune des autres propriétés du matériau, telles que la résistance à la rupture sous l’effet de la chaleur.
« Il est assez rare que deux matériaux aient la même structure et les mêmes propriétés au niveau du réseau, mais qu’ils présentent une différence de près d’un ordre de grandeur au niveau de la déchirure », explique M. Johnson.
Les chercheurs tentent maintenant de déterminer si cette approche pourrait être utilisée pour améliorer la résistance d’autres matériaux, y compris le caoutchouc.
« Il y a beaucoup à explorer pour savoir quel niveau d’amélioration peut être obtenu dans d’autres types de matériaux et comment en tirer le meilleur parti », déclare Craig.
Référence : « Facile mechanochemical cycloreversion of polymer cross-linkers enhances tear resistance » par Shu Wang, Yixin Hu, Tatiana B. Kouznetsova, Liel Sapir, Danyang Chen, Abraham Herzog-Arbeitman, Jeremiah A. Johnson, Michael Rubinstein et Stephen L. Craig, 22 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg3229
Les travaux du groupe sur la résistance des polymères font partie d’un centre financé par la National Science Foundation, le Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks (Centre pour la chimie des réseaux moléculaires optimisés). La mission de ce centre, dirigé par Craig, est d’étudier comment les propriétés des composants moléculaires des réseaux de polymères affectent le comportement physique des réseaux.