Des chercheurs de Columbia Engineering ont démontré pour la première fois une nouvelle technique qui s'inspire de la nacre des coquilles d'huîtres, un matériau composite aux propriétés mécaniques extraordinaires, y compris une grande force et résilience. En modifiant la vitesse de cristallisation d'un polymère initialement bien mélangé avec des nanoparticules, l'équipe a pu contrôler la façon dont les nanoparticules s'auto-assemblent en structures à trois régimes d'échelle de longueur très différents. Cet ordre à plusieurs échelles peut rendre le matériau de base presque d'un ordre de grandeur plus rigide tout en conservant la déformabilité souhaitée et le comportement léger des matériaux polymères. L'étude, dirigé par Sanat Kumar, Professeur Bykhovsky de génie chimique, est publié le 7 juin en ligne dans ACS Science centrale .

"Essentiellement, nous avons créé une méthode en une étape pour construire un matériau composite nettement plus résistant que son matériau hôte, " dit Kumar, un expert en dynamique des polymères et en auto-assemblage. "Notre technique peut améliorer les propriétés mécaniques et potentiellement d'autres propriétés physiques des matériaux plastiques commercialement pertinents, avec des applications dans l'automobile, des revêtements protecteurs, et emballages alimentaires/boissons, choses que nous utilisons tous les jours. Et, regarder plus loin, nous pouvons également être en mesure de produire des propriétés électroniques ou optiques intéressantes des matériaux nanocomposites, permettant potentiellement la fabrication de nouveaux matériaux et dispositifs fonctionnels pouvant être utilisés dans des applications structurelles telles que les bâtiments, mais avec la possibilité de surveiller leur santé in situ."

Environ 75 pour cent des polymères utilisés dans le commerce, dont le polyéthylène utilisé pour l'emballage et le polypropylène pour les bouteilles, sont semi-cristallins. Ces matériaux ont une faible résistance mécanique et ne peuvent donc pas être utilisés pour de nombreuses applications avancées, tels que les accessoires automobiles comme les pneus, courroies de ventilateur, pare-chocs, etc. Les chercheurs savent depuis des décennies, remonter au début des années 1900, cette dispersion variable de nanoparticules dans le polymère, métal, et les matrices céramiques peuvent considérablement améliorer les propriétés des matériaux. Un bon exemple dans la nature est la nacre, qui est 95 pour cent d'aragonite inorganique et 5 pour cent de polymère cristallin (chitine); son ordre hiérarchique des nanoparticules - un mélange de plaquettes cassantes intercalées et de fines couches de biopolymères élastiques - améliore fortement ses propriétés mécaniques. En outre, couches d'aragonite parallèles, maintenues ensemble par une couche de biopolymère cristallin à l'échelle nanométrique (?10 nm d'épaisseur), forment des « briques » qui s'assemblent ensuite en superstructures « de brique et de mortier » à l'échelle micrométrique et plus grande. Cette structure, à plusieurs tailles de longueur, augmente considérablement sa ténacité.

« Alors que l'assemblage spontané de nanoparticules dans une hiérarchie d'échelles dans un hôte polymère a été un « Saint Graal » en nanoscience, jusqu'à présent, il n'y a pas eu de méthode établie pour atteindre cet objectif, " dit Dan Zhao, Doctorant de Kumar et premier auteur de cet article. « Nous avons relevé ce défi à travers le contrôle, assemblage multi-échelle de nanoparticules en tirant parti de la cinétique de cristallisation des polymères."

Alors que les chercheurs se concentrant sur les nanocomposites polymères ont réussi à contrôler facilement l'organisation des nanoparticules dans une matrice polymère amorphe (c'est-à-dire que le polymère ne cristallise pas), à ce jour, personne n'a été en mesure de régler l'assemblage de nanoparticules dans une matrice polymère cristalline. Une approche connexe s'est appuyée sur la création de modèles de glace. En utilisant cette technique, les chercheurs ont cristallisé de petites molécules (principalement de l'eau) pour organiser des particules colloïdales, mais, en raison de la cinétique intrinsèque de ces processus, les particules sont normalement expulsées dans les joints de grains microscopiques, et les chercheurs n'ont donc pas été en mesure d'ordonner les nanoparticules à travers les multiples échelles nécessaires pour imiter la nacre.

le groupe de Kumar, experts dans le réglage de la structure et donc des propriétés des nanocomposites polymères, trouvé ceci, en mélangeant des nanoparticules dans une solution de polymères (oxyde de polyéthylène) et en modifiant la vitesse de cristallisation en faisant varier le degré de sous-refroidissement (c'est-à-dire jusqu'où en dessous du point de fusion la cristallisation a été réalisée), ils pourraient contrôler la façon dont les nanoparticules s'auto-assemblent en trois régimes d'échelle différents :nano, micro, et macromètre. Chaque nanoparticule a été uniformément enveloppée par les polymères et régulièrement espacée avant le début du processus de cristallisation. Les nanoparticules se sont ensuite assemblées en feuillets (10-100 nm) et les feuillets en agrégats à l'échelle microscopique (1-10 m) lorsque le polymère a été cristallisé.

« Cet auto-assemblage contrôlé est important car il améliore la rigidité des matériaux tout en les gardant tenaces, " dit Kumar. " Et les matériaux conservent la faible densité du polymère semi-cristallin pur afin que nous puissions maintenir le poids d'un composant structurel faible, une propriété essentielle aux applications telles que les voitures et les avions, où le poids est une considération critique. Grâce à notre approche polyvalente, nous pouvons faire varier la particule ou le polymère pour obtenir un comportement spécifique du matériau ou des performances de l'appareil."

L'équipe de Kumar prévoit ensuite d'examiner les principes fondamentaux qui permettent aux particules de se déplacer vers certaines régions du système, et développer des méthodes pour accélérer la cinétique d'ordre des particules, qui prend actuellement quelques jours. Ils prévoient ensuite d'explorer d'autres systèmes polymères/particules axés sur les applications, tels que les systèmes polylactide/nanoparticules qui peuvent être conçus comme des nanocomposites polymères biodégradables et durables de nouvelle génération, et polyéthylène/silice, qui est utilisé dans les pare-chocs de voiture, immeubles, et ponts.

« Le potentiel de remplacement des matériaux structurels par ces nouveaux composites pourrait avoir un effet profond sur les matériaux durables ainsi que sur l'infrastructure de notre pays, " dit Kumar.