Une découverte défie un dogme vieux de 30 ans dans la recherche sur les polymères associatifs

Une étude menée par l’Université de Virginie sur une classe de matériaux appelés polymères associatifs semble remettre en question une compréhension de longue date de la façon dont les matériaux, qui ont des propriétés uniques d’auto-guérison et d’écoulement, fonctionnent au niveau moléculaire.

Liheng Cai, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux et de génie chimique à l’UVA, qui a dirigé l’étude, a déclaré que la nouvelle découverte a des implications importantes pour les innombrables façons dont ces matériaux sont utilisés chaque jour, de l’ingénierie des plastiques recyclables à l’ingénierie des tissus humains en passant par le contrôle. la consistance de la peinture pour qu’elle ne coule pas.

La découverte, publiée dans la revue Lettres d’examen physique, a été rendu possible par de nouveaux polymères associatifs développés dans le laboratoire de Cai à l’UVA School of Engineering and Applied Science par son chercheur postdoctoral Shifeng Nian et Ph.D. étudiant Myoeum Kim. La percée a évolué à partir d’un théorie Cai avait co-développé avant d’arriver à UVA en 2018.

« Shifeng et Myoeum ont essentiellement créé une nouvelle plate-forme expérimentale pour étudier la dynamique des polymères associatifs d’une manière qui n’était pas possible auparavant », a déclaré Cai.

« Cela nous a donné une nouvelle perspective sur le comportement des polymères et offre des opportunités d’améliorer notre compréhension des domaines d’étude particulièrement difficiles de la science des polymères. Et d’un point de vue technologique, la recherche contribue au développement de matériaux auto-cicatrisants avec des propriétés sur mesure.  »

Les polymères sont des macromolécules composées d’unités répétitives ou de monomères. En réarrangeant ou en combinant ces unités et en modifiant leurs liaisons, les scientifiques peuvent concevoir des matériaux polymères dotés de caractéristiques spécifiques.

Les polymères peuvent également changer d’état, de dur et rigide, comme le verre, à caoutchouteux ou même fluide en fonction de facteurs tels que la température ou la force, par exemple, en poussant un gel solide à travers une aiguille hypodermique.

Les polymères associatifs sont particulièrement distinctifs : leurs fractions – un terme général désignant des sous-unités moléculaires aux propriétés physiques personnalisables – sont maintenues ensemble par des liaisons réversibles, ce qui signifie qu’elles peuvent se séparer et se reformer.

Ce procédé permet des propriétés macroscopiques inaccessibles aux polymères conventionnels. En conséquence, les polymères associatifs apportent des solutions à certains des défis les plus urgents en matière de durabilité et de santé. Par exemple, les polymères associatifs sont utilisés comme modificateurs de viscosité dans les carburants, pour créer des polymères auto-cicatrisants résistants et pour concevoir des biomatériaux dotés de propriétés physiques essentielles à l’ingénierie tissulaire et à la régénération.

L’une des clés du travail de l’équipe UVA a été de surmonter une caractéristique matérielle qui a entravé les chercheurs pendant des années. En laboratoire, les scientifiques travaillent avec des matériaux dont les liaisons peuvent se rompre et se reformer à des « échelles de temps de laboratoire », c’est-à-dire dans des délais qu’ils peuvent observer à travers des expériences. Cependant, dans presque tous les systèmes expérimentaux existants, les fractions s’agrègent en petits clusters, ce qui empêche une étude précise de la relation entre les liaisons réversibles et le comportement des polymères.

L’équipe de Cai a développé de nouveaux types de polymères associatifs où les liaisons sont uniformément réparties dans tout le matériau et à une large gamme de densités. Pour confirmer que leurs matériaux ne forment pas de grappes, les chercheurs ont collaboré avec Mikhail Zhernenkov, un scientifique du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie. Ils ont mené des expériences à l’aide d’un outil à rayons X sophistiqué – la ligne de lumière des interfaces de la matière molle – à la Source nationale de lumière synchrotron II pour révéler la composition interne des polymères sans endommager les échantillons.

Ces nouveaux polymères associatifs ont permis à l’équipe de Cai d’étudier précisément les effets des interactions réversibles sur la dynamique des polymères associatifs.

La dynamique et le comportement font référence à des caractéristiques telles que la température à laquelle le mouvement de la molécule ralentit jusqu’à un état « vitreux » rigide, la viscosité (la liberté avec laquelle un matériau s’écoule) et l’élasticité (sa capacité à revenir en arrière après avoir été déformée). Un mélange de ces caractéristiques est souvent souhaitable pour concevoir, par exemple, un biomatériau compatible avec les tissus humains qui peut se reconstituer après injection.

Depuis 30 ans, il était admis que lorsque les liaisons réversibles restent intactes, elles agissent comme des agents de réticulation, résultant en un matériau caoutchouteux. Mais ce n’est pas ce que l’équipe dirigée par l’UVA a découvert.

En collaboration avec Shiwang Cheng, professeur adjoint au département de génie chimique et de science des matériaux de la Michigan State University et expert en dynamique des écoulements, l’équipe a mesuré avec précision le comportement d’écoulement de leurs polymères sur une large gamme d’échelles de temps.

« Cela nécessite un contrôle minutieux de l’environnement local, comme la température et l’humidité des polymères », a déclaré Cheng. « Au fil des ans, mon laboratoire a développé un ensemble de méthodes et de systèmes pour le faire. »

L’équipe a découvert que les liaisons peuvent ralentir le mouvement du polymère et dissiper l’énergie sans créer de réseau caoutchouteux. De manière inattendue, la recherche a montré que les interactions réversibles influencent les qualités vitreuses des polymères plutôt que leur gamme viscoélastique.

« Nos polymères associatifs fournissent un système qui permet d’étudier séparément les effets des interactions réversibles sur [polymer] mouvement et comportement vitreux « , a déclaré Cai. « Cela peut offrir des opportunités d’améliorer la compréhension de la physique difficile des polymères vitreux comme les plastiques. »

À partir de leurs expériences, l’équipe de Cai a également développé une nouvelle théorie moléculaire qui explique le comportement des polymères associatifs, ce qui pourrait changer la réflexion sur la façon de les concevoir avec des propriétés optimisées telles qu’une rigidité élevée et une capacité d’auto-guérison rapide.

En plus de Nian, Kim, Cheng et Zhernenkov, Cai a collaboré avec Ting Ge, un expert en simulations informatiques et professeur adjoint de chimie et de biochimie à l’Université de Caroline du Sud, et Quan Chen du State Key Lab of Polymer Physics and Chemistry au Changchun Institute of Applied Chemistry, qui a fourni le code initial pour analyser le comportement d’écoulement des polymères.

Le papier, « Dynamique des polymères associatifs à haute densité de liaisons réversibles, » paraît dans le numéro du 2 juin de Lettres d’examen physiqueet est présenté en tant que suggestion des éditeurs.