Une percée majeure dans le domaine des matériaux permet de relever un défi vieux de près de 200 ans dans le domaine des polymères
Des chercheurs défient les règles de la science des matériaux avec des molécules qui libèrent la longueur stockée pour découpler la rigidité et l'extensibilité
Des chercheurs de l'école d'ingénierie et de sciences appliquées de l'université de Virginie ont mis au point une nouvelle conception de polymère qui semble réécrire le manuel d'ingénierie des polymères. Il ne s'agit plus d'un dogme selon lequel plus un matériau polymère est rigide, moins il doit être extensible.
Représentation artistique d'un réseau formé par la réticulation de polymères pliables de type "bottlebrush", qui se caractérisent par une colonne vertébrale collapsée greffée de nombreuses chaînes latérales linéaires flexibles.
Liheng Cai, Baiqiang Huang/Soft Biomatter Lab, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
Baiqiang Huang (à gauche), doctorant au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'université de Virginie, avec Liheng Cai, professeur adjoint à l'UVA.
Matt Cosner, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
"Nous relevons un défi fondamental que l'on croyait impossible à résoudre depuis l'invention du caoutchouc vulcanisé en 1839", explique Liheng Cai, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et de génie chimique.
C'est alors que Charles Goodyear a découvert par hasard que le chauffage du caoutchouc naturel avec du soufre créait des liaisons chimiques entre les molécules de caoutchouc en forme de brins. Ce processus de réticulation crée un réseau de polymères, transformant le caoutchouc collant, qui fond et coule sous l'effet de la chaleur, en un matériau durable et élastique.
Depuis lors, on pense que si l'on veut rendre un matériau polymère rigide, il faut sacrifier une partie de l'extensibilité.
Jusqu'à ce que l'équipe de M. Cai, dirigée par Baiqiang Huang, étudiant en doctorat, prouve le contraire avec ses nouveaux "réseaux de polymères pliables". Leurs travaux, financés par la bourse CAREER de la National Science Foundation, font la couverture du numéro du 27 novembre de Science Advances.
Découpler la rigidité et l'élasticité
"Cette limitation a freiné le développement de matériaux qui doivent être à la fois extensibles et rigides, obligeant les ingénieurs à choisir une propriété au détriment de l'autre", explique M. Huang. "Imaginez, par exemple, un implant cardiaque qui se plie et se déforme à chaque battement de cœur, mais qui dure encore des années.
Huang est le premier auteur de l'article avec Shifeng Nian, chercheur postdoctoral, et Cai.
Les polymères réticulés sont omniprésents dans les produits que nous utilisons, des pneus de voiture aux appareils électroménagers, et ils sont de plus en plus utilisés dans les biomatériaux et les dispositifs de soins de santé.
Parmi les applications envisagées par l'équipe, citons les prothèses et les implants médicaux, l'électronique portable améliorée et les "muscles" pour les systèmes robotiques souples qui doivent se plier, se tordre et s'étirer de manière répétée.
La rigidité et l'extensibilité, c'est-à-dire la mesure dans laquelle un matériau peut s'étirer ou se dilater sans se rompre, sont liées parce qu'elles proviennent du même bloc de construction : les brins de polymères reliés par des liaisons transversales. Traditionnellement, la façon de rigidifier un réseau de polymères consiste à ajouter davantage de liaisons transversales.
Cela rigidifie le matériau mais ne résout pas le compromis rigidité-étirabilité. Les réseaux de polymères comportant davantage de réticulations sont plus rigides, mais ils n'ont pas la même liberté de déformation et se cassent facilement lorsqu'ils sont étirés.
Notre équipe s'est rendu compte qu'en concevant des polymères pliables à brosse à bouteilles capables de stocker une longueur supplémentaire dans leur propre structure, nous pouvions "découpler" la rigidité et l'extensibilité - en d'autres termes, intégrer l'extensibilité sans sacrifier la rigidité", a déclaré M. Cai. "Notre approche est différente car elle se concentre sur la conception moléculaire des brins du réseau plutôt que sur les liaisons transversales.
Comment fonctionne la conception pliable
Au lieu de brins de polymères linéaires, la structure de M. Cai ressemble à un goupillon : de nombreuses chaînes latérales flexibles rayonnent à partir d'une épine dorsale centrale.
L'épine dorsale peut s'affaisser et s'étendre comme un accordéon qui se déploie à mesure qu'il s'étire. Lorsqu'on tire sur le matériau, la longueur cachée à l'intérieur du polymère se déroule, ce qui lui permet de s'allonger jusqu'à 40 fois plus que les polymères standard sans s'affaiblir.
Parallèlement, les chaînes latérales déterminent la rigidité, ce qui signifie que la rigidité et l'extensibilité peuvent enfin être contrôlées indépendamment.
Il s'agit d'une stratégie "universelle" pour les réseaux de polymères, car les composants qui constituent la structure pliable du polymère en brosse à bouteilles ne sont pas limités à des types chimiques spécifiques.
Par exemple, l'une de leurs conceptions utilise pour les chaînes latérales un polymère qui reste flexible même à des températures froides. Mais l'utilisation d'un autre polymère synthétique, couramment utilisé dans l'ingénierie des biomatériaux, pour les chaînes latérales permet de produire un gel capable d'imiter les tissus vivants.
Comme bon nombre des nouveaux matériaux mis au point dans le laboratoire de M. Cai, le polymère pliable de la brosse à bouteilles est conçu pour être imprimable en 3D. Il en va de même lorsqu'il est mélangé à des nanoparticules inorganiques, qui peuvent être conçues pour présenter des propriétés électriques, magnétiques ou optiques complexes.
Par exemple, ils peuvent ajouter des nanoparticules conductrices, telles que des nanorods d'argent ou d'or, qui sont essentielles à l'électronique extensible et portable.
"Ces composants nous offrent une infinité d'options pour concevoir des matériaux qui équilibrent la résistance et l'extensibilité tout en exploitant les propriétés des nanoparticules inorganiques en fonction d'exigences spécifiques", a déclaré M. Cai.
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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