Après plusieurs années de développement des idées théoriques, les chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont validé plusieurs nouvelles prédictions sur le mécanisme fondamental du transport des atomes et des molécules (pénétrants) dans des matrices liquides moléculaires et polymères chimiquement complexes.
L’étude du professeur Ken Schweizer en science et génie des matériaux (MatSE) et du Dr Baicheng Mei, publiée récemment dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), a étendu la théorie et l’a testée sur une grande quantité de données expérimentales. Le professeur agrégé MatSE Chris Evans et l’étudiant diplômé Grant Sheridan ont collaboré à cette recherche en fournissant des mesures expérimentales supplémentaires.
« Nous avons développé une théorie avancée et de pointe pour prédire comment les molécules se déplacent dans des milieux complexes, en particulier dans les liquides polymères », a déclaré Schweizer. « La théorie a résumé quelles sont les caractéristiques importantes des molécules chimiquement complexes et du milieu polymère qu’elles traversent et qui contrôlent leur vitesse de transport. »
La diffusion de pénétrants dans des matrices polymères a de nombreuses applications, notamment les séparations membranaires, les revêtements barrières, l’administration de médicaments et l’auto-guérison. Cependant, contrôler la vitesse de transport des pénétrants à travers ces matrices utilisées dans les applications de matériaux est un processus compliqué. La vitesse à laquelle les molécules se déplacent à travers un matériau peut varier de plus de 15 ordres de grandeur en fonction de diverses caractéristiques de la molécule et de la matrice, notamment la taille de la molécule et la température.
Une fois la théorie développée, l’équipe a parcouru la littérature pour trouver autant de données expérimentales que possible pour diverses paires pénétrant-matrice. Ils recherchaient des ensembles de données avec la plus large gamme de températures pour tester leurs prédictions : des températures élevées où les polymères sont caoutchouteux, jusqu’aux basses températures où les polymères se vitrifient finalement en un verre solide, et pour des pénétrants de structures chimiques très différentes dans divers polymères et matrices moléculaires. Un total de 17 ensembles de données ont été analysés, et Schweizer dit : « Nous avons trouvé des preuves très solides pour les nouvelles idées de la théorie. »
Un changement de température même de 30 % peut modifier la diffusivité des molécules de pénétrant de 10 ordres de grandeur. Lorsque la température est abaissée, la diffusion devient de plus en plus lente, et finalement d’une manière qualitativement plus rapide qui dépend de la nature moléculaire du pénétrant et de la matrice polymère.
Schweizer explique : « Lorsque la molécule est petite et/ou que la température est élevée, l’influence de son environnement sur son mouvement est plus simple et elle ressent beaucoup moins de résistance. Mais lorsque la molécule devient suffisamment grande, en particulier dans des conditions suffisamment froides, elle doit effectivement pousser plus de matière environnante hors du chemin, et il devient beaucoup plus difficile de se déplacer.Et cela change complètement la dépendance à la température, d’une manière qui amplifie fortement les différences de vitesse de transport des différentes molécules qui peuvent être exploitées pour concevoir des membranes polymères plus sélectives. »
Chaque paire de pénétrant et de matrice polymère a sa propre empreinte digitale pour la vitesse à laquelle la molécule peut se déplacer, et de petits changements de température ou de taille de pénétrant peuvent générer d’énormes changements dans la vitesse de mouvement de la molécule. De ce résultat, Schweizer dit : « C’est un phénomène expérimental spectaculaire. »
Après avoir validé cette théorie, « ce qui ressort n’est pas seulement une explication des données existantes, mais une façon de penser à la synthèse de nouvelles molécules ou de nouveaux matériaux polymères avec un taux adapté de transport dépendant de la température. C’est comme l’ingénierie inverse », a déclaré Schweizer. conclu.
Plus d’information:
Baicheng Mei et al, Élucidation des facteurs physiques qui contrôlent le transport activé des pénétrants dans les liquides vitrifiants chimiquement complexes, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2210094119