Les scientifiques ont créé un plastique équivalent à l'acier : solide mais pas lourd. Les plastiques, que les chimistes appellent parfois polymères, sont une classe de molécules à longue chaîne composées de courtes unités répétitives appelées monomères. Contrairement aux polymères précédents de même résistance, le nouveau matériau n'existe que sous forme de membrane. Il est également 50 fois plus étanche à l'air que le plastique le plus imperméable du marché. Un autre aspect notable de ce polymère est sa simplicité de synthèse. Le processus, qui se déroule à température ambiante, ne nécessite que des matériaux bon marché, et le polymère peut être produit en masse en grandes feuilles de seulement quelques nanomètres d'épaisseur. Les chercheurs publient leurs conclusions le 2 février dans la revue Nature.
Le matériau en question s'appelle un polyamide, un réseau fileté d'unités moléculaires amides (les amides sont des groupes chimiques azotés liés à des atomes de carbone liés à l'oxygène). Ces polymères comprennent le Kevlar, une fibre utilisée pour fabriquer des gilets pare-balles, et le Nomex, un tissu résistant au feu. Comme le Kevlar, les molécules de polyamide du nouveau matériau sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène sur toute la longueur de leurs chaînes, ce qui améliore la résistance globale du matériau.
« Ils collent ensemble comme du Velcro », a déclaré l'auteur principal Michael Strano, ingénieur chimiste au MIT. Déchirer des matériaux nécessite non seulement de briser des chaînes moléculaires individuelles, mais également de surmonter les liaisons hydrogène intermoléculaires géantes qui imprègnent l'ensemble du faisceau de polymères.
De plus, les nouveaux polymères peuvent former automatiquement des flocons. Cela rend le matériau facile à traiter, car il peut être transformé en films minces ou utilisé comme revêtement de surface de film mince. Les polymères traditionnels ont tendance à se développer sous forme de chaînes linéaires, ou à se ramifier et à se lier de manière répétée en trois dimensions, quelle que soit l'orientation. Mais les polymères de Strano se développent d'une manière unique en 2D pour former des nanofeuilles.
« Peut-on agréger des données sur une feuille de papier ? Il s'avère que, dans la plupart des cas, c'était impossible avant nos travaux », a déclaré Strano. « Nous avons donc découvert un nouveau mécanisme. » Dans ces travaux récents, son équipe a surmonté un obstacle pour rendre possible cette agrégation bidimensionnelle.
La raison pour laquelle les polyaramides ont une structure plane est que la synthèse des polymères implique un mécanisme appelé modélisation autocatalytique : à mesure que le polymère s'allonge et adhère aux blocs de construction monomères, le réseau polymère en croissance incite les monomères suivants à se combiner uniquement dans la bonne direction pour renforcer l'union de la structure bidimensionnelle. Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient facilement enduire le polymère en solution sur des plaquettes pour créer des stratifiés d'un pouce de large de moins de 4 nanomètres d'épaisseur. Cela représente près d'un millionième de l'épaisseur du papier de bureau ordinaire.
Pour quantifier les propriétés mécaniques du matériau polymère, les chercheurs ont mesuré la force nécessaire pour percer des trous dans une feuille de matériau suspendue avec une aiguille fine. Ce polyamide est en effet plus rigide que les polymères traditionnels comme le nylon, le tissu utilisé pour fabriquer des parachutes. Il est remarquable qu'il faille deux fois plus de force pour dévisser ce polyamide ultra-résistant que l'acier de même épaisseur. Selon Strano, la substance peut être utilisée comme revêtement protecteur sur des surfaces métalliques, comme les placages de voiture, ou comme filtre pour purifier l'eau. Dans cette dernière fonction, la membrane filtrante idéale doit être mince mais suffisamment solide pour résister à des pressions élevées sans laisser fuir de petits contaminants nuisibles dans notre approvisionnement final - un ajustement parfait pour ce matériau polyamide.
À l'avenir, Strano espère étendre la méthode de polymérisation à d'autres polymères que cet analogue du Kevlar. « Les polymères sont partout autour de nous », a-t-il déclaré. « Ils font tout. » Imaginez transformer de nombreux types de polymères, même exotiques, capables de conduire l'électricité ou la lumière, en films minces pouvant recouvrir diverses surfaces, ajoute-t-il. « Grâce à ce nouveau mécanisme, d'autres types de polymères pourraient désormais être utilisés », a déclaré Stano.
Dans un monde entouré de plastique, la société a des raisons d'être enthousiasmée par un autre nouveau polymère dont les propriétés mécaniques sont tout sauf ordinaires, a déclaré Strano. Cet aramide est extrêmement durable, ce qui signifie que nous pouvons remplacer les plastiques de tous les jours, des peintures aux sacs en passant par les emballages alimentaires, par des matériaux moins nombreux et plus résistants. Strano a ajouté que du point de vue de la durabilité, ce polymère 2D ultra-résistant est un pas dans la bonne direction pour libérer le monde du plastique.
Shi En Kim (comme on l'appelle habituellement Kim) est une rédactrice scientifique indépendante d'origine malaisienne et stagiaire éditoriale de Popular Science Spring 2022. Elle a beaucoup écrit sur des sujets allant des utilisations originales des toiles d'araignées - humaines ou les araignées elles-mêmes - aux éboueurs dans l'espace.
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Date de publication : 19 mai 2022