La grande majorité des matériaux absorbants perdent leur capacité à retenir l’eau à mesure que les températures augmentent. C’est pourquoi notre peau commence à transpirer et pourquoi les plantes se dessèchent à cause de la chaleur. Même les matériaux conçus pour absorber l’humidité, tels que les packs de gel de silice dans les emballages grand public, perdent leurs propriétés spongieuses à mesure que leur environnement se réchauffe.
Mais un matériau semble résister de manière unique aux effets de séchage de la chaleur. Les ingénieurs du MIT ont maintenant découvert que le polyéthylène glycol (PEG) – un hydrogel couramment utilisé dans les crèmes cosmétiques, les revêtements industriels et les capsules pharmaceutiques – peut absorber l’humidité de l’atmosphère même lorsque les températures grimpent.
Le matériau double son absorption d’eau lorsque les températures grimpent de 25 à 50 degrés Celsius (77 à 122 degrés Fahrenheit), rapporte l’équipe.
La résilience du PEG découle d’une transformation déclenchée par la chaleur. Au fur et à mesure que son environnement se réchauffe, la microstructure de l’hydrogel se transforme d’un cristal en une phase « amorphe » moins organisée, ce qui améliore la capacité du matériau à capter l’eau.
Sur la base des propriétés uniques du PEG, l’équipe a développé un modèle qui peut être utilisé pour concevoir d’autres matériaux résistants à la chaleur et absorbant l’eau. Le groupe envisage que ces matériaux pourraient un jour être transformés en dispositifs qui récoltent l’humidité de l’air pour l’eau potable, en particulier dans les régions désertiques arides. Les matériaux pourraient également être incorporés dans des pompes à chaleur et des climatiseurs pour réguler plus efficacement la température et l’humidité.
« Une énorme quantité d’énergie consommée dans les bâtiments est utilisée pour la régulation thermique », explique Lenan Zhang, chercheur au département de génie mécanique du MIT. « Ce matériau pourrait être un élément clé des systèmes de climatisation passive. »
Zhang et ses collègues détaillent leur travail dans une étude parue aujourd’hui dans Matériaux avancés. Les co-auteurs du MIT incluent Xinyue Liu, Bachir El Fil, Carlos Diaz-Marin, Yang Zhong, Xiangyu Li et Evelyn Wang, ainsi que Shaoting Lin de la Michigan State University.
Contre l’intuition
Le groupe d’Evelyn Wang du Device Research Lab du MIT vise à relever les défis de l’énergie et de l’eau grâce à la conception de nouveaux matériaux et dispositifs qui gèrent durablement l’eau et la chaleur. L’équipe a découvert les propriétés inhabituelles du PEG alors qu’elle évaluait une multitude d’hydrogels similaires pour leurs capacités de récupération de l’eau.
« Nous recherchions un matériau haute performance capable de capter l’eau pour différentes applications », explique Zhang. « Les hydrogels sont un candidat parfait, car ils sont principalement constitués d’eau et d’un réseau de polymères. Ils peuvent se dilater simultanément en absorbant l’eau, ce qui les rend idéaux pour réguler l’humidité et la vapeur d’eau. »
L’équipe a analysé une variété d’hydrogels, y compris le PEG, en plaçant chaque matériau sur une échelle réglée dans une chambre à température contrôlée. Un matériau devient plus lourd à mesure qu’il absorbe plus d’humidité. En enregistrant le poids changeant d’un matériau, les chercheurs ont pu suivre sa capacité à absorber l’humidité tout en ajustant la température et l’humidité de la chambre.
Ce qu’ils ont observé était typique de la plupart des matériaux : à mesure que la température augmentait, la capacité des hydrogels à capter l’humidité de l’air diminuait. La raison de cette dépendance à la température est bien comprise : avec la chaleur vient le mouvement, et à des températures plus élevées, les molécules d’eau se déplacent plus rapidement et sont donc plus difficiles à contenir dans la plupart des matériaux.
« Notre intuition nous dit qu’à des températures plus élevées, les matériaux ont tendance à perdre leur capacité à capter l’eau », explique le co-auteur Xinyue Liu. « Donc, nous avons été très surpris par PEG car il a cette relation inverse. »
En fait, ils ont découvert que le PEG devenait plus lourd et continuait à absorber de l’eau alors que les chercheurs augmentaient la température de la chambre de 25 à 50 degrés Celsius.
« Au début, nous pensions avoir mesuré certaines erreurs et nous pensions que cela ne pouvait pas être possible », explique Liu. « Après avoir vérifié que tout était correct dans l’expérience, nous avons réalisé que cela se produisait vraiment, et c’est le seul matériau connu qui montre une capacité d’absorption d’eau croissante avec une température plus élevée. »
Un coup de chance
Le groupe s’est concentré sur PEG pour essayer d’identifier la raison de ses performances inhabituelles de résistance à la chaleur. Ils ont découvert que le matériau a un point de fusion naturel à environ 50 degrés Celsius, ce qui signifie que la microstructure normalement cristalline de l’hydrogel se décompose complètement et se transforme en une phase amorphe. Zhang dit que cette phase fondue et amorphe offre plus de possibilités aux polymères du matériau de saisir toutes les molécules d’eau en mouvement rapide.
« Dans la phase cristalline, il peut n’y avoir que quelques sites sur un polymère disponibles pour attirer l’eau et se lier », explique Zhang. « Mais dans la phase amorphe, vous pourriez avoir beaucoup plus de sites disponibles. Ainsi, les performances globales peuvent augmenter avec l’augmentation de la température. »
L’équipe a ensuite développé une théorie pour prédire comment les hydrogels absorbent l’eau, et a montré que la théorie pouvait également expliquer le comportement inhabituel du PEG si les chercheurs ajoutaient un « terme manquant » à la théorie. Ce terme manquant était l’effet de la transformation de phase. Ils ont découvert que lorsqu’ils incluaient cet effet, la théorie pouvait prédire le comportement du PEG, ainsi que celui d’autres hydrogels limitant la température.
La découverte des propriétés uniques du PEG a été en grande partie fortuite. La température de fusion du matériau se trouve juste dans la plage où l’eau est un liquide, ce qui leur permet de capter la transformation de phase du PEG et son comportement de super-trempage qui en résulte. Les autres hydrogels ont des températures de fusion qui se situent en dehors de cette plage. Mais les chercheurs soupçonnent que ces matériaux sont également capables de transformations de phase similaires une fois qu’ils ont atteint leurs températures de fusion.
« D’autres polymères pourraient en théorie présenter ce même comportement, si nous pouvons concevoir leurs points de fusion dans une plage de température sélectionnée », explique Shaoting Lin, membre de l’équipe.
Maintenant que le groupe a élaboré une théorie, ils prévoient de l’utiliser comme modèle pour concevoir des matériaux spécifiquement destinés à capturer l’eau à des températures plus élevées.
« Nous voulons personnaliser notre conception pour nous assurer qu’un matériau peut absorber une quantité d’eau relativement élevée, à faible humidité et à des températures élevées », explique Liu. « Ensuite, il pourrait être utilisé pour la collecte de l’eau atmosphérique, pour apporter de l’eau potable aux gens dans des environnements chauds et arides. »
Plus d’information:
Xinyue Liu et al, Dépendance inhabituelle de la température de la sorption de l’eau dans les hydrogels semi-cristallins, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202211763
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.