Une nouvelle théorie promet de remodeler notre façon de penser les superstructures en polymère

Des scientifiques des polymères de l’Université du Massachusetts à Amherst ont récemment annoncé dans la revue Communication Nature qu’ils ont résolu un mystère de longue date entourant une structure à l’échelle nanométrique, formée par des collections de molécules, appelée double gyroïde. Cette forme est l’une des plus souhaitables pour les scientifiques des matériaux et a un large éventail d’applications; mais jusqu’à présent, une compréhension prévisible de la façon dont ces formes se forment a échappé aux chercheurs.

« Il existe une belle interaction entre les mathématiques pures et la science des matériaux », déclare Greg Grason, auteur principal de l’article et professeur de science et d’ingénierie des polymères à l’UMass Amherst. « Notre travail étudie comment les matériaux s’auto-assemblent dans des formes naturelles. »

Ces formulaires peuvent prendre plusieurs formes. Ils peuvent être simples, comme une couche, un cylindre ou une sphère. « Un peu comme des films de savon », ajoute Michael Dimitriyev, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des polymères à l’UMass Amherst, et l’un des co-auteurs de l’article. « Il existe une compréhension intuitive des formes que les molécules, telles que celles du savon, peuvent créer. Ce que nous avons fait, c’est révéler la géométrie cachée qui permet aux polymères de prendre la forme d’un double gyroïde. »

A quoi ressemble un double gyroïde ? Ce n’est pas intuitif. « Ils sont quelque chose entre une couche et un cylindre », explique Abhiram Reddy, chercheur postdoctoral à Northwestern qui a terminé cette recherche dans le cadre de ses études supérieures à UMass Amherst et auteur principal de l’article. En d’autres termes, imaginez un morceau plat de moustiquaire – une couche – puis tordez-le en une couche en forme de selle qui s’insère dans une boîte cubique de manière à ce que sa surface reste aussi petite que possible. C’est un gyroïde. Un double gyroïde se produit lorsqu’un deuxième matériau, également tordu en un gyroïde, comble les lacunes du premier gyroïde. Chaque matériau gyroïdal forme un réseau de tubes qui s’interpénétrent les uns les autres. Ensemble, ils forment un matériau extrêmement complexe qui est à la fois symétrique de tous côtés, comme de nombreux cristaux, mais parcouru de canaux labyrinthiques, chacun formé d’unités moléculaires différentes. Parce que ce matériau est un hybride de deux gyroïdes, il peut être conçu pour avoir des propriétés contradictoires.

Ces doubles gyroïdes existent dans la nature et sont observés depuis longtemps, mais jusqu’à présent, personne n’a tout à fait compris comment les molécules en chaîne, appelées copolymères à blocs, savent former des doubles gyroïdes. Reddy et ses co-auteurs se sont appuyés sur un modèle théorique précédent, ajoutant une forte dose de thermodynamique et une nouvelle approche pour réfléchir au problème d’emballage – ou à la meilleure façon de remplir un récipient fini avec du matériau – emprunté à la géométrie computationnelle et connu sous le nom de médial carte. Étant donné que les copolymères doivent s’étirer pour occuper chaque partie de la structure auto-assemblée, comprendre cette formation nécessite de savoir comment les molécules « mesurent le milieu » de formes, comme les gyroïdes, qui sont bien plus complexes que les sphères et les cylindres. Le modèle théorique mis à jour de l’équipe explique non seulement la formation déroutante des doubles gyroïdes, mais est prometteur pour comprendre comment le problème d’emballage fonctionne dans un éventail beaucoup plus large de superstructures auto-assemblées, telles que les doubles diamants et les doubles primitives, ou même des structures qui sont encore à découvrir.

Les chercheurs envisagent ensuite de collaborer avec des chimistes synthétiques pour commencer à affiner leur théorie avec des données expérimentales. L’objectif final est de pouvoir concevoir une grande variété de matériaux qui tirent parti de la structure du double gyroïde et qui peuvent aider à faire progresser un large éventail de technologies, des batteries rechargeables aux revêtements réfléchissant la lumière.