Utilisation de simulations moléculaires pour étudier les « polymères associatifs » auto-assemblés

Lorsque les matières plastiques sont traitées ou recyclées, leurs propriétés fondamentales peuvent se dégrader en raison des dommages causés par la déformation. Les processus de recyclage ont tendance à rompre les liaisons moléculaires à l’intérieur des matériaux, les rendant plus faibles et moins durables. Une façon de rendre les plastiques plus durables consiste à utiliser des matériaux souples auto-assemblés qui peuvent s’auto-réparer après des dommages.

Les matériaux auto-assemblés s’organisent spontanément et peuvent reformer des connexions moléculaires après avoir été endommagés, permettant aux matériaux de retrouver leur résistance au fil du temps. De nombreux chercheurs explorent les applications des matériaux auto-cicatrisants où les composants en plastique sont difficiles à remplacer ou à réparer, comme la nanotechnologie à l’intérieur des ordinateurs ou les matériaux biomédicaux à l’intérieur du corps humain. Cependant, les scientifiques n’ont pas une compréhension approfondie de leur comportement à l’échelle moléculaire.

Thomas O’Connor, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux, s’efforce de changer cela. Lui et son équipe de collaborateurs utilisent des simulations moléculaires pour étudier un type de matériaux auto-assemblés appelés polymères associatifs. Ces polymères sont constitués de longues chaînes moléculaires qui contiennent des groupes collants sur toute leur longueur.

Les groupes collants sont attirés les uns vers les autres et s’agrègent pour former des grappes qui relient différentes chaînes ensemble dans un réseau qui pourrait ressembler à un bol de nouilles moléculaires. Lorsque les polymères sont endommagés par déformation, les amas collants peuvent se reformer et cicatriser le matériau en formant une cicatrice moléculaire. Des amas plus collants peuvent former des cicatrices plus fortes, mais si les interactions collantes deviennent trop fortes, de très gros amas se formeront et le polymère deviendra trop rigide pour être manipulé lors de la fabrication.

Pour comprendre comment les polymères s’associant se comportent lorsqu’ils sont étirés, O’Connor a simulé le comportement des chaînes polymères lors de la déformation élongationnelle. Il a constaté qu’en étirant les réseaux, les amas collants à l’intérieur du matériau ne réagissaient pas de manière uniforme.

Les grappes les plus grandes et les plus fortes avaient tendance à se briser et à permettre aux chaînes de s’écouler comme un liquide, tandis que d’autres grappes plus faibles ne se cassaient pas et empêchaient les chaînes de s’allonger. Cette réponse hétérogène – différents comportements moléculaires du même stimulus – est passionnante pour les théoriciens des matériaux comme O’Connor car elle aide à expliquer pourquoi ces matériaux sont si imprévisibles pendant la fabrication.

« Généralement, la façon dont vous écrivez une théorie pour un matériau est de demander, ‘quelle est la réponse moyenne des chaînes polymères à ce que je fais?' », a expliqué O’Connor. « Mais avec ce réseau, il y a deux comportements distincts qui se produisent. Certaines chaînes sont étirées et certaines chaînes sont effondrées. La moyenne serait quelque part au milieu et ne capturera pas non plus. »

À l’inverse, lorsque O’Connor a accéléré la simulation pour étirer les chaînes polymères plus rapidement, il a constaté que plus les chaînes étaient étirées rapidement, plus elles se comportaient toutes de la même manière.

À des vitesses élevées, les clusters qui agissaient comme des connexions permanentes se sont séparés et ont formé de nombreux clusters plus petits avec des propriétés similaires aux clusters plus petits déjà existants. « Cela nous a montré que tout espoir n’est pas perdu pour travailler avec, traiter et un jour recycler des matériaux auto-assemblés », a expliqué O’Connor. « Bien que ces systèmes aient une façon nouvelle et désordonnée de se comporter, ce désordre suit certaines règles car la façon dont le système se décompose crée une sorte d’auto-organisation. J’ai hâte d’explorer ce que ces réseaux feront lorsque nous pourrons contrôler plus attentivement leur. »

À l’aide de simulations, l’équipe d’O’Connor peut contrôler avec précision la taille et l’adhérence des grappes et peut évaluer comment des réseaux d’association plus soigneusement architecturés répondront au flux d’allongement. Cette recherche publiée dans Examen physique X est fondamental pour l’avenir du traitement des matériaux auto-assemblés.