Par l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie
28 juin 2023
Rendu 3D illustrant deux monomères formant une double liaison hydrogène réversible qui ralentit le mouvement du polymère sans créer de réseau élastique. Crédit : S. Nian et al, Phys. Rev. Lett. 130, 228101 (2023)
Une équipe de recherche dirigée par l’université de Virginie a mené une étude sur les polymères associatifs, un type de matériau doté de propriétés uniques d’autoréparation, qui semble remettre en question une compréhension de longue date du fonctionnement de ces matériaux au niveau moléculaire.
L’étude a été menée par Liheng Cai, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux et de génie chimique à l’UVA. Cai a déclaré que cette nouvelle découverte revêtait une importance considérable en raison de la myriade d’applications de ces matériaux dans la vie quotidienne, allant de l’ingénierie des plastiques recyclables à l’ingénierie des tissus humains, en passant par la manipulation de la viscosité de la peinture pour éviter qu’elle ne coule.
La découverte, qui a été publiée dans la revue Physical Review Letters, a été rendue possible grâce à de nouveaux polymères associatifs développés dans le laboratoire de Cai à la UVA School of Engineering and Applied Science par son chercheur postdoctoral Shifeng Nian et son étudiant en doctorat Myoeum Kim. La percée a évolué à partir d’une théorie que Cai avait co-développée avant d’arriver à l’UVA en 2018.
« Shifeng et Myoeum ont essentiellement créé une nouvelle plateforme expérimentale pour étudier la dynamique des polymères associatifs d’une manière qui n’était pas possible auparavant », a déclaré Cai.
« Cela nous a donné une nouvelle perspective sur le comportement des polymères et offre des possibilités d’améliorer notre compréhension de domaines d’étude particulièrement difficiles dans la science des polymères. D’un point de vue technologique, la recherche contribue au développement de matériaux autocicatrisants aux propriétés personnalisées. »
Les polymères sont des macromolécules composées d’unités répétitives, ou monomères. En réarrangeant ou en combinant ces unités et en jouant sur leurs liaisons, les scientifiques peuvent concevoir des matériaux polymères dotés de caractéristiques spécifiques.
Les polymères peuvent également changer d’état, passant de dur et rigide, comme le verre, à caoutchouteux ou même fluide en fonction de facteurs tels que la température ou la force – par exemple, pousser un gel solide à travers une aiguille hypodermique.
Les polymères associatifs sont particulièrement caractéristiques : Leurs parties – un terme général pour les sous-unités moléculaires ayant des propriétés physiques personnalisables – sont maintenues ensemble par des liaisons réversibles, ce qui signifie qu’elles peuvent se séparer et se reformer.
Ce processus permet d’obtenir des propriétés macroscopiques inaccessibles aux polymères conventionnels. Par conséquent, les polymères associatifs apportent des solutions à certains des défis les plus urgents en matière de durabilité et de santé. Par exemple, les polymères associatifs sont utilisés comme modificateurs de viscosité dans les carburants, pour créer des polymères autocicatrisants résistants et pour concevoir des biomatériaux dotés de propriétés physiques essentielles à l’ingénierie et à la régénération des tissus.
L’une des clés du travail de l’équipe de l’UVA a été de surmonter une caractéristique des matériaux qui a découragé les chercheurs pendant des années. En laboratoire, les scientifiques travaillent avec des matériaux dont les liaisons peuvent se rompre et se reformer à des « échelles de temps de laboratoire », c’est-à-dire dans des délais qu’ils peuvent observer par le biais d’expériences. Toutefois, dans la quasi-totalité des systèmes expérimentaux existants, les molécules s’agrègent en petits groupes, ce qui empêche une étude précise de la relation entre les liaisons réversibles et le comportement des polymères.
L’équipe de Cai a mis au point de nouveaux types de polymères associatifs dans lesquels les liaisons sont réparties uniformément dans tout le matériau et dans une large gamme de densités. Pour confirmer que leurs matériaux ne forment pas de grappes, les chercheurs ont collaboré avec Mikhail Zhernenkov, un scientifique du Brookhaven National Laboratory du ministère américain de l’énergie. Ils ont mené des expériences à l’aide d’un outil sophistiqué d’analyse des rayons X – la ligne de faisceau des interfaces de la matière molle – au National Synchrotron Light Source II, afin de révéler la composition interne des polymères sans endommager les échantillons.
Ces nouveaux polymères associatifs ont permis à l’équipe de Cai d’étudier avec précision les effets des interactions réversibles sur la dynamique des polymères associatifs.
La dynamique et le comportement font référence à des caractéristiques telles que la température à laquelle le mouvement des molécules ralentit pour atteindre un état « vitreux » rigide, la viscosité (la liberté d’écoulement d’un matériau) et l’élasticité (sa capacité à se rétracter après avoir été déformé). Une combinaison de ces caractéristiques est souvent souhaitable pour concevoir, par exemple, un biomatériau compatible avec les tissus humains et capable de se reconstituer après injection.
Depuis 30 ans, il est admis que lorsque les liaisons réversibles restent intactes, elles agissent comme des réticulateurs, ce qui donne un matériau caoutchouteux. Mais ce n’est pas ce qu’a découvert l’équipe dirigée par l’UVA.
En collaboration avec Shiwang Cheng, professeur adjoint au département de génie chimique et de science des matériaux de la Michigan State University et expert en dynamique des flux, l’équipe a mesuré avec précision le comportement d’écoulement de ses polymères sur une large gamme d’échelles de temps.
« Cela nécessite un contrôle minutieux de l’environnement local, notamment de la température et de l’humidité des polymères », a déclaré M. Cheng. « Au fil des ans, mon laboratoire a mis au point un ensemble de méthodes et de systèmes pour y parvenir.
L’équipe a découvert que les liaisons peuvent ralentir le mouvement des polymères et dissiper l’énergie sans créer un réseau caoutchouteux. De manière inattendue, la recherche a montré que les interactions réversibles influencent les qualités vitreuses des polymères plutôt que leur gamme viscoélastique.
« Nos polymères associatifs constituent un système qui permet d’étudier séparément les effets des interactions réversibles sur les propriétés vitreuses des polymères. [polymer] sur le mouvement et le comportement vitreux », a déclaré M. Cai. « Cela pourrait permettre d’améliorer la compréhension de la physique difficile des polymères vitreux tels que les plastiques.
À partir de leurs expériences, l’équipe de Cai a également développé une nouvelle théorie moléculaire qui explique le comportement des polymères associatifs, ce qui pourrait faire évoluer la réflexion sur la manière de les concevoir avec des propriétés optimisées telles qu’une grande rigidité et une capacité d’autoréparation rapide.
Référence : « Dynamics of Associative Polymers with High Density of Reversible Bonds » par Shifeng Nian, Shalin Patil, Siteng Zhang, Myoeum Kim, Quan Chen, Mikhail Zhernenkov, Ting Ge, Shiwang Cheng et Li-Heng Cai, 31 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.228101
Outre Nian, Kim, Cheng et Zhernenkov, Cai a collaboré avec Ting Ge, expert en simulations informatiques et professeur adjoint de chimie et de biochimie à l’université de Caroline du Sud, et Quan Chen du State Key Lab of Polymer Physics and Chemistry à l’institut de chimie appliquée de Changchun, qui a fourni le code initial pour l’analyse du comportement d’écoulement des polymères.
L’article, intitulé « Dynamics of Associative Polymers with High Density of Reversible Bonds », est publié dans le numéro du 2 juin de Physical Review Letters, la publication phare de l’American Physical Society, et fait l’objet d’une suggestion de la rédaction – une distinction accordée à seulement une lettre acceptée sur six. Il figure également comme article principal dans Physics, le magazine en ligne de la société.
Une bourse CAREER de la National Science Foundation soutient les recherches de Cai sur les polymères associatifs. Il reçoit également des fonds de l’UVA, notamment le LaunchPad for Diabetes Fund. Son équipe de recherche continue de travailler à l’établissement des fondements scientifiques de l’utilisation de ces matériaux.