Surprise ! Des liaisons plus faibles peuvent rendre les polymères plus résistants
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 Duke a découvert un moyen contre-intuitif de rendre les polymères plus résistants : introduire quelques liaisons plus faibles dans le matériau.
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En travaillant avec un type de polymère connu sous le nom d'élastomères de polyacrylate, les chercheurs ont constaté qu'ils pouvaient multiplier par dix la résistance à la déchirure des matériaux, simplement en utilisant un type de réticulant plus faible pour relier certains des blocs de construction du polymère.
Ces polymères caoutchouteux sont couramment utilisés dans la fabrication de pièces automobiles, ainsi que comme "encre" pour les objets imprimés en 3D. Les chercheurs étudient à présent 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 paraît aujourd'hui dans Science.
L'un des principaux avantages de cette approche est qu'elle ne semble pas modifier 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 né 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.
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 agit comme un linker. 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, ont fait équipe pour mesurer la résistance de ces polymères. Comme ils s'y attendaient, ils ont constaté que le matériau s'affaiblissait lorsqu'on utilisait des éléments de liaison plus faibles pour maintenir les brins de polymère ensemble. 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.
À la suite de 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, lorsque les chercheurs ont utilisé des liants plus faibles pour relier les blocs de construction d'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 dans 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 plus long", explique M. Johnson.
Des matériaux résistants
En utilisant cette approche, les chercheurs ont montré que les polyacrylates qui incorporaient des liaisons 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'a altéré 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 déchirure de près d'un ordre de grandeur", explique M. Johnson.
Les chercheurs tentent à présent 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", explique M. Craig.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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