Dmytro Nykypanchuk, scientifique au Centre des nanomatériaux fonctionnels, est représenté sur la ligne de lumière de diffusion des matériaux complexes, où l'étude a été menée. Crédit :Département américain de l'Énergie
Qu'est-ce que ta peau, les vêtements que vous portez, et le sol sur lequel tu te tiens ont en commun ? Ce sont toutes des substances poreuses. Comme une éponge, leurs surfaces sont couvertes de minuscules trous qui laissent passer les liquides et les gaz. Les matériaux poreux sont répandus dans notre monde, et ceux avec des pores nanométriques, appelés matériaux mésoporeux, constituent tout, des supports de catalyseurs chimiques aux chambres de stockage de gaz et aux membranes de séparation.
À ce jour, les scientifiques ont lutté pour fabriquer des matériaux mésoporeux solides; cependant, ils ont développé avec succès des matériaux "microporeux". Ces matériaux ont des pores encore plus petits, mesurant moins de deux nanomètres. Les scientifiques construisent ces matériaux incroyablement minuscules en utilisant le concept de "cadre moléculaire", où petit, les molécules rigides sont interconnectées pour générer une structure continue. Alors qu'un manque de blocs de construction appropriés dans le régime mésoporeux (deux à 50 nanomètres) a empêché les scientifiques de développer des matériaux mésoporeux solides, une équipe de recherche de l'Université de Buffalo (UB) a maintenant résolu ce problème.
« Une fois que vous avez atteint une certaine taille, la plupart des molécules deviennent trop flexibles et ne sont pas assez solides pour maintenir la structure des pores d'un matériau, " a déclaré Dmytro Nykypanchuk, un scientifique du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'énergie des États-Unis située au Brookhaven National Laboratory. "Cela a conduit les scientifiques de l'UB à développer une toute nouvelle approche de la synthèse des matériaux mésoporeux."
Dans un article publié en ACS Nano , les scientifiques décrivent la synthèse d'un nouveau matériau à partir de copolymères de goupillons, une molécule géante à l'architecture particulière. Ces molécules ont des poils qui émanent d'un squelette avec des blocs terminaux. L'équipe de recherche a prédit que cette combinaison unique de composants réactifs dans une seule molécule formerait un matériau solide avec des pores contrôlables. Spécifiquement, les chaînes latérales pourraient servir d'interconnecteurs extra rigides, tandis que les blocs d'extrémité réactifs pourraient aider plusieurs molécules de goupillon à se lier ensemble.
Cette image représente l'architecture particulière des copolymères de goupillons (en haut à gauche), qui ont des poils qui émanent d'une épine dorsale avec des blocs d'extrémité. En interconnectant ces molécules, les scientifiques ont fabriqué un matériau mésoporeux (à droite). Crédit :Département américain de l'Énergie
« Les copolymères à brosse fournissent une plate-forme unique pour la fabrication de matériaux mésoporeux, " a déclaré Javid Rzayev, le chercheur principal du projet et un professeur de chimie à l'UB. « En manipulant leur architecture moléculaire, nous pouvons contrôler la rigidité moléculaire et la directionnalité des interactions intermoléculaires. Cela nous a permis de développer un matériau mésoporeux avec des paramètres moléculairement accordables."
Pour confirmer leurs résultats, l'équipe de recherche de l'UB a analysé la structure du nouveau matériau à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), également une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science. En utilisant une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles, l'équipe a dirigé les rayons X brillants de la ligne de lumière 11-BM, une ligne de lumière construite dans le cadre d'un partenariat entre NSLS-II et CFN, pour observer comment la lumière rebondit sur les atomes du matériau. L'étude a révélé que le nouveau matériau était très différent de ceux produits par les méthodes traditionnelles. Parce que chaque pore a été construit par plusieurs macromolécules, le matériau nouvellement développé avait un nombre beaucoup plus grand de pores par volume, tandis que les pores présentaient des dimensions uniformes et conservaient leur rigidité. Plus important encore, les scientifiques ont pu contrôler les pores en manipulant la structure des copolymères des goupillons.
"Parce que les pores sont définis par l'architecture moléculaire, les scientifiques ont beaucoup plus de contrôle sur la taille des pores et les propriétés de ces matériaux qu'auparavant, " a déclaré Nykypanchuk.
Avec un cadre solide et contrôlable pour travailler, les scientifiques peuvent désormais rechercher des moyens d'améliorer les matériaux mésoporeux, telles que la modification de la nature des pores pour les rendre catalytiquement actifs.
