Science des matériaux : Comment les enchevêtrements moléculaires déterminent la structure des polymères
es nouvelles découvertes pourraient permettre d'améliorer les matériaux existants ou de les remplacer - totalement ou partiellement - par des solutions plus durables
La structure des polymères semi-cristallins dépend en grande partie de l'enchevêtrement de leurs chaînes moléculaires. C'est ce que montre une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) et publiée dans la revue scientifique "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS). À la suite de nombreuses expériences, les chercheurs ont développé un nouveau modèle permettant de prédire la structure microscopique des matériaux ainsi que leurs propriétés. Les polymères sont des molécules à longue chaîne. Les polymères semi-cristallins sont un mélange d'éléments solides et liquides. Ils sont souvent utilisés dans les plastiques et les matériaux d'emballage.
Lorsque les matériaux refroidissent, ils forment généralement une structure cristalline au niveau moléculaire, c'est-à-dire que toutes les particules sont étroitement ordonnées. "Un processus similaire se produit lors de la formation de polymères semi-cristallins, sauf que toutes les régions ne cristallisent pas", explique le professeur Thomas Thurn-Albrecht, physicien à la MLU. Au lieu de cela, il y a des régions dites amorphes qui ont une structure désordonnée après refroidissement. C'est là que l'on trouve des enchevêtrements qui s'imbriquent les uns dans les autres. Dans les polymères semi-cristallins, les couches ordonnées et désordonnées alternent sans cesse au niveau nanométrique. Cette structure particulière leur confère également des propriétés uniques : ils sont à la fois souples et élastiques et relativement robustes. Ils conviennent donc particulièrement bien comme matériaux d'emballage et de structure.
Les propriétés des polymères semi-cristallins dépendent en grande partie de deux facteurs : l'épaisseur des couches susmentionnées et le degré d'enchevêtrement des chaînes dans les régions amorphes. Selon Thurn-Albrecht, les facteurs qui influencent l'épaisseur des cristaux sont déjà bien connus, mais les connaissances sur les couches amorphes sont encore assez limitées. Son équipe a étudié le processus de formation des cristaux spécifiquement pour ces couches en collaboration avec un groupe dirigé par le professeur Kay Saalwächter de la MLU. Sur la base de leurs mesures sur un polymère modèle, les physiciens ont découvert que l'épaisseur des couches amorphes est déterminée dans une large mesure par leurs enchevêtrements. Les chercheurs ont également développé un modèle simple pour décrire cette relation.
"Nous supposons que notre modèle peut être appliqué à de nombreux polymères différents. Cela inclut des matériaux qui, pour l'instant, ne sont pas utilisés à grande échelle", explique Thurn-Albrecht. Les nouvelles découvertes pourraient permettre d'améliorer les matériaux existants ou de les remplacer - totalement ou partiellement - par des alternatives plus durables.
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