Les produits fabriqués à partir de polymères, allant des sacs en plastique aux vêtements en passant par les ustensiles de cuisine et l’électronique, offrent de nombreux conforts et soutiennent le niveau de vie d’aujourd’hui, mais comme ils ne se décomposent pas facilement, ils posent des problèmes environnementaux à long terme. Le développement de polymères, une grande classe de matériaux, avec un cycle de vie plus durable, est une étape cruciale pour progresser vers une économie verte et faire face à cet élément de la crise mondiale du changement climatique. Le développement de polymères biodégradables reste cependant limité par les méthodes actuelles de test de biodégradation.
Pour remédier à cette limitation, une équipe de chercheurs du MIT dirigée par Bradley D. Olsen, professeur Alexander et I. Michael Kasser (1960) au Département de génie chimique, a développé un vaste ensemble de données sur la biodégradation pour aider à déterminer si oui ou non un polymère est biodégradable.
Leurs conclusions ont récemment été publiées dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS). L’équipe du MIT est dirigée par Olsen et Ph.D. les candidats Katharina A. Fransen et Sarah HM Av-Ron, et comprend également le postdoc Dylan J. Walsh et les étudiants de premier cycle Tess R. Buchanan, Dechen T. Rota et Lana Van Note.
« Bien que les déchets de polymères soient un contributeur connu et important à la crise climatique, l’étude de la biodégradation des polymères a été limitée à un petit nombre de polymères, car les méthodes de test de biodégradation actuelles demandent beaucoup de temps et de ressources », explique Olsen. « Cette portée limitée ralentit l’innovation de nouveaux matériaux, nous travaillons donc à l’ouvrir à un portefeuille de matériaux beaucoup plus large. »
Approche unique à haut débit
L’ensemble de données que l’équipe d’Olsen a développé comprend plus de 600 chimies de polyester distinctes.
« L’ingéniosité de notre travail pousse le criblage à être à haut débit, ce qui accélère le rythme de la découverte », explique Av-Ron. Les méthodes de synthèse à haut débit permettent de cribler rapidement de grandes quantités d’échantillons, en identifiant les produits ayant la propriété ou la fonction souhaitée recherchée. Dans ce cas, l’approche à haut débit a été menée à l’aide d’une méthode appelée dosage en zone claire, qui détecte la biofragmentation du polymère et identifie les bactéries dégradant le polymère.
L’ensemble de données sur la biodégradation peut ensuite conduire à des relations structure-propriété, un concept central de la science et de l’ingénierie des matériaux, où des relations entre le détail chimique et la propriété peuvent être établies et utilisées pour construire un modèle de prédiction de la biodégradation. Lors du développement de ces modèles pour prédire la biodégradation, les chercheurs se sont intéressés à la linéarité et à la non-linéarité potentielles des relations entre la structure et la biodégradabilité.
« Nous considérons que notre percée scientifique consiste à disposer de ce vaste ensemble de données, ainsi que les relations qualitatives et les modèles prédictifs activés par une telle quantité substantielle de données », ajoute Av-Ron. « C’était captivant de comprendre comment intégrer la grande complexité de la représentation chimique des polymères avec des modèles d’apprentissage automatique prédictifs. J’étais très enthousiaste à l’idée d’obtenir une précision de validation de 82 % pour une combinaison représentation/modèle. Avec des données supplémentaires, nous pourrions peut-être pour améliorer encore plus nos prévisions. »
Les travaux de l’équipe portent en grande partie sur les polyesters ; le développement de polyesters biodégradables présente une opportunité clé pour résoudre la crise de la durabilité des polymères et réduire la charge environnementale du cycle de vie des polymères.
Une souche de bactérie, plusieurs chimies
Le test de biodégradation que ces données créent est accessible et rentable à mettre en place ; Les premières réactions de l’industrie ont été positives. Les ensembles de données sont également plus reproductibles que de nombreuses autres normes dans cet espace.
« Avec notre méthode, il existe une souche de bactérie, vous savez donc exactement ce que vous testez », explique Av-Ron. Cela témoigne du caractère unique de l’approche de l’équipe.
« Lorsque les polymères sont développés, normalement la résistance du matériau est examinée en premier, puis une fois que le matériau est développé, qu’il se biodégrade ou non vient en deuxième », explique Fransen.
Olsen et son équipe examinent le contraire : développer d’abord l’écran de biodégradabilité, pour aider à filtrer et à concentrer ce qu’il faut rechercher dans un matériau. De cette façon, l’infrastructure de l’équipe peut évaluer rapidement de nombreuses options différentes.
« Il y a eu récemment un grand mouvement dans le développement de polymères durables », conclut Fransen, « et avoir quelque chose comme ça qui est rapide, tangible et relativement peu coûteux, pourrait ajouter beaucoup de valeur à cette communauté. »
Fransen a reçu une bourse J-WAFS 2022 pour ce travail, et elle et Av-Ron ont remporté ensemble la deuxième place du concours vidéo étudiant de la Journée mondiale de l’alimentation J-WAFS 2022, car cette recherche peut être appliquée à la création d’emballages alimentaires plus durables.
Plus d’information:
Katharina A. Fransen et al, Expérimentation à haut débit pour la découverte de polyesters biodégradables, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2220021120
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.