Les gels polymères sont devenus une technologie de base dans divers domaines, allant de l’optique et de l’administration de médicaments à la capture du carbone et aux batteries. Cependant, de nombreuses questions restent ouvertes sur les gels et leur structure de réseau, ce qui a empêché les scientifiques de lier leurs remarquables propriétés macroscopiques à des mécanismes moléculaires spécifiques.
Une façon intéressante d’aborder ce puzzle est de l’étudier du point de vue de la mécanochimie ; c’est-à-dire des réactions chimiques déclenchées par des stimuli mécaniques tels que la compression, l’étirement et le broyage. Pour faciliter ce processus, les scientifiques peuvent tisser des mécanophores dans des réseaux de polymères. Ce sont des molécules qui subissent des changements chimiques prévisibles lors de l’exposition à des contraintes mécaniques. Bien qu’il existe de nombreuses façons d’appliquer des forces mécaniques pour activer les mécanophores dans un gel, une a été étudiée avec beaucoup moins de détails que d’autres : le gonflement au solvant.
Motivés par ce manque de connaissances, deux chercheurs du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), au Japon, ont décidé de se concentrer sur le mécanochromisme induit par le gonflement (ou un changement de couleur induit par des stimuli mécaniques) dans les gels polymères. Dans leur dernière étude, publiée dans Angewandte Chemie International Editionles chercheurs ont utilisé une stratégie innovante pour rendre un gel très sensible aux forces mécaniques induites par le gonflement du solvant, tout en présentant un changement de couleur notable lors de l’activation de mécanophores soigneusement sélectionnés.
L’approche en question repose sur la création d’un polymère multiréseaux. Ce processus commence par la synthèse d’un premier réseau dans lequel les chaînes polymères sont liées par un mécanophore appelé difluorénylsuccinonitrile (DFSN). Ensuite, ce premier réseau est rempli et étiré avec des monomères, qui sont les éléments constitutifs d’un deuxième réseau qui est tissé avec le premier réseau.
Après avoir répété à nouveau l’étape précédente et introduit un troisième réseau, le premier réseau d’origine finit par s’étirer jusqu’à un point où les lieurs DFSN peuvent se rompre même par une légère expansion de volume causée par le gonflement du solvant. Plus important encore, lorsque les mécanophores DFSN se divisent en radicaux cyanofluorène (CF), ils prennent une couleur rose facilement observable macroscopiquement.
Grâce à cette stratégie innovante, les chercheurs ont pu étudier et comparer le gonflement induit par différents solvants sur différents types de polymères multiréseaux. Ils ont également étudié les différences d’activation mécanique causées par le gonflement du solvant et l’étirement unidirectionnel, ainsi que les modifications de la réactivité thermique du DFSN. Enfin, ils ont analysé pourquoi les radicaux CF roses étaient si stables même si la théorie thermodynamique suggérait qu’ils devraient se recombiner dans les lieurs DFSN d’origine au fil du temps.
Il convient de noter que les connaissances acquises pour les polymères utilisés dans cette étude s’appliquent également à d’autres composés, comme le fait remarquer le professeur Hideyuki Otsuka, auteur correspondant de l’article : « Les phénomènes étudiés ne se limitent pas aux systèmes polymères multiréseaux ; ils peuvent également être observé dans d’autres polymères avec des conformations uniques, tels que les polyélectrolytes et les polymères topologiquement complexes. »
Dans l’ensemble, les résultats de cette étude apportent un éclairage indispensable sur le processus de gonflement dans les réseaux de polymères. À son tour, cela pourrait conduire à de nouvelles conceptions de matériaux, comme le commente le professeur Otsuka : « Les réactions mécanochimiques induites par la force de gonflement et la réactivité thermique améliorée démontrées dans nos travaux illustrent que l’utilisation de polymères multiréseaux contribue non seulement à notre compréhension de la dynamique du gonflement, mais ouvre également de nouvelles voies pour la conception de matériaux polymères réactifs aux stimuli. »
Plus d’information:
Takuma Watabe et al, Mécanochromisme induit par le gonflement dans les polymères multiréseaux, Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI : 10.1002/anie.202216469