Plastique, caoutchouc, et de nombreux autres matériaux utiles sont constitués de polymères - de longues chaînes disposées en un réseau réticulé. Au niveau moléculaire, ces réseaux polymères contiennent des défauts structurels qui les fragilisent.

Il y a plusieurs années, Les chercheurs du MIT ont été les premiers à mesurer certains types de ces défauts, appelé "boucles, " qui sont causés lorsqu'une chaîne du réseau polymère se lie à elle-même au lieu d'une autre chaîne. Maintenant, les mêmes chercheurs ont trouvé un moyen simple de réduire le nombre de boucles dans un réseau polymère et ainsi de renforcer les matériaux fabriqués à partir de polymères.

Pour y parvenir, les chercheurs ajoutent simplement très lentement l'un des composants du réseau polymère à une grande quantité du second composant. En utilisant cette approche, ils ont pu réduire de moitié le nombre de boucles, dans une variété de structures de réseaux polymères différentes. Cela pourrait offrir un moyen facile pour les fabricants de matériaux industriellement utiles tels que les plastiques ou les gels de renforcer leurs matériaux.

"Juste en changeant la vitesse à laquelle vous ajoutez un composant à l'autre, vous pouvez améliorer les propriétés mécaniques, " dit Jérémie A. Johnson, le Firmenich Career Development Associate Professor of Chemistry au MIT et l'auteur principal de l'article.

Yuwei Gu, étudiant diplômé du MIT, est le premier auteur de l'article, qui apparaît dans le Actes de l'Académie nationale des sciences la semaine du 24 avril.

Les autres auteurs sont Bradley Olsen, professeur agrégé de génie chimique au MIT; Ken Kawamoto, étudiant diplômé du MIT; les anciens post-doctorants du MIT Mingjiang Zhong et Mao Chen; Michael Hore, professeur adjoint à l'Université Case Western Reserve; Alex Jordan, étudiant diplômé de Case Western Reserve; et l'ancien professeur invité du MIT et professeur agrégé Case Western Reserve LaShanda Korley.

Boucles de contrôle

En 2012, Le groupe de Johnson a conçu la première façon de mesurer le nombre de boucles dans un réseau polymère et a validé ces résultats avec les prédictions théoriques d'Olsen. Les chercheurs ont découvert que les boucles peuvent représenter environ 9 % à près de 100 % du réseau, en fonction de la concentration des chaînes polymères dans le matériau de départ et d'autres facteurs.

Quelques années plus tard, Johnson et Olsen ont développé un moyen de calculer à quel point ces boucles affaiblissent un matériau. Dans leur dernier ouvrage, ils ont entrepris de réduire la formation de boucles, et d'y parvenir sans changer la composition des matériaux.

"L'objectif que nous nous étions fixé était de prendre le même ensemble de précurseurs pour un matériau que l'on utiliserait normalement, et, en utilisant exactement les mêmes précurseurs dans les mêmes conditions et à la même concentration, faire un matériau avec moins de boucles, " dit Johnson.

Dans ce document, les chercheurs se sont d'abord concentrés sur un type de structure polymère connue sous le nom de réseau polymère en étoile. Ce matériau a deux blocs de construction différents :une étoile avec quatre bras identiques, connu sous le nom de "B4, " et une chaîne connue sous le nom de " A2 ". Chaque molécule de A2 s'attache à l'extrémité de l'un des bras B4. Cependant, pendant le processus de synthèse typique, quand tout est mélangé à la fois, certaines des chaînes A2 finissent par se lier à deux des bras B4, formant une boucle.

Les chercheurs ont découvert que s'ils ajoutaient du B4 très lentement à une solution de A2, chacun des bras B4 réagirait rapidement avec une seule molécule d'A2, il y avait donc moins d'opportunités pour A2 de former des boucles.

Après quelques heures d'ajout progressif de la moitié de la solution B4, ils ont ajouté la seconde moitié d'un seul coup, et les sous-unités en forme d'étoile se sont réunies pour former un réseau réticulé. Ce materiel, les chercheurs ont trouvé, avait environ la moitié moins de boucles que le même matériau produit en utilisant le processus de synthèse traditionnel.

Selon le nombre de boucles contenues dans le matériau d'origine, cette stratégie « lente puis rapide » peut améliorer la résistance du matériau jusqu'à 600 %, dit Johnson.

De meilleurs produits

Les chercheurs ont également essayé cette technique avec quatre autres types de réactions de synthèse de réseaux polymères. Ils n'étaient pas en mesure de mesurer le nombre de boucles pour tous ces types de polymères, mais ils ont trouvé des améliorations similaires dans la résistance des matériaux.

Cette approche pourrait potentiellement aider à améliorer la résistance de tout matériau fabriqué à partir d'un gel ou d'un autre polymère réticulé, y compris les plastiques, membranes pour la purification de l'eau, adhésifs en époxy, ou des hydrogels tels que des lentilles de contact.

Le laboratoire de Johnson travaille actuellement à l'application de cette stratégie à une variété de matériaux, y compris les gels utilisés pour cultiver des cellules pour l'ingénierie tissulaire.