Image de moules dans leur milieu naturel :liées à un rocher à marée basse près du campus de l'UCSB. Crédit :Dr Emmanouela Filippidi
Une large gamme de matériaux à base de polymères, du caoutchouc de pneu et du néoprène de combinaison aux vêtements Lycra et silicone, sont des élastomères appréciés pour leur capacité à fléchir et à s'étirer sans se casser et à reprendre leur forme d'origine.
Rendre ces matériaux plus résistants signifie généralement les rendre plus cassants. C'est parce que, structurellement, les élastomères sont des réseaux plutôt informes de brins de polymère - souvent comparés à un paquet de nouilles spaghetti désorganisées - maintenus ensemble par quelques réticulations chimiques. Le renforcement d'un polymère nécessite d'augmenter la densité des liaisons croisées entre les brins en créant plus de liaisons. Cela fait en sorte que les brins de l'élastomère résistent à l'étirement les uns des autres, donnant au matériau une structure plus organisée mais aussi le rendant plus rigide et plus sujet aux défaillances.
Inspiré par les durs, des fils byssaux polymères flexibles que les moules marines utilisent pour se fixer aux surfaces de la zone intertidale accidentée, une équipe de chercheurs affiliée au Materials Research Laboratory (MRL) de l'UC Santa Barbara a développé une méthode pour surmonter le compromis inhérent entre la résistance et la flexibilité des polymères élastomères. Les découvertes du groupe apparaissent dans le journal Science .
"Dans la dernière décennie, nous avons fait d'énormes progrès dans la compréhension de la façon dont les matériaux biologiques conservent leur résistance sous charge, " a déclaré l'auteur correspondant Megan Valentine, professeur agrégé au Département de génie mécanique de l'UCSB. "Dans ce document, nous démontrons notre capacité à utiliser cette compréhension pour développer des matériaux synthétiques utiles. Ce travail ouvre des voies de découverte passionnantes pour de nombreuses applications commerciales et industrielles. »
Les efforts antérieurs également inspirés par la chimie de la cuticule de la moule ont été limités à humide, systèmes mous tels que les hydrogels. Par contre, les chercheurs de l'UCSB ont incorporé les liaisons de coordination du fer inspirées des moules dans un système polymère sec. Ceci est important car un tel polymère sec pourrait potentiellement remplacer des matériaux rigides mais cassants, en particulier dans les applications liées aux chocs et à la torsion.
Rendu artistique d'un polymère durci par la chimie inspirée des moules marines. Crédit :UCSB
"Nous avons constaté que le réseau humide était 25 fois moins rigide et se brisait à un allongement cinq fois plus court qu'un réseau sec de construction similaire, " a expliqué la co-auteur principale Emmanouela Filippidi, chercheur postdoctoral au Valentine Lab de l'UCSB. "C'est un résultat intéressant, mais attendu. Ce qui est vraiment frappant, c'est ce qui s'est passé lorsque nous avons comparé le réseau sec avant et après l'ajout de fer. Non seulement il a conservé son élasticité, mais il est également devenu 800 fois plus rigide et 100 fois plus résistant en présence de ces liaisons fer-catéchol reconfigurables. C'était inattendu."
Pour réaliser des réseaux ayant une architecture et des performances similaires à celles de la cuticule byssale de la moule, l'équipe a synthétisé un amorphe, réseau époxy faiblement réticulé, puis traité avec du fer pour former des réticulations fer-catéchol dynamiques. En l'absence de fer, quand l'une des réticulations covalentes se rompt, il est brisé pour toujours, car aucun mécanisme d'auto-guérison n'existe. Mais lorsque les liaisons réversibles de coordination fer-catéchol sont présentes, n'importe laquelle de ces liaisons croisées brisées contenant du fer peut se reformer, pas forcément exactement au même endroit mais à proximité, maintenant ainsi la résilience du matériau même lorsque sa résistance augmente. Le matériau est à la fois plus rigide et plus résistant que des réseaux similaires dépourvus de liaisons de coordination contenant du fer.
Au fur et à mesure que le réseau fer-catéchol s'étire, il ne stocke pas l'énergie, alors quand la tension est relâchée, le matériau ne rebondit pas comme un élastique mais, plutôt, dissipe l'énergie. Le matériau reprend ensuite lentement sa forme initiale, de la même manière qu'un matériau viscoélastique tel que la mousse à mémoire de forme le fait après que la pression sur lui est relâchée.
"Un matériau ayant cette caractéristique, appelé "plastique dissipateur d'énergie, ' est utile pour les revêtements, " a déclaré le co-auteur principal Thomas Cristiani, un étudiant diplômé de l'UCSB dans le groupe Israelachvili. "Cela ferait un excellent étui pour téléphone portable car il absorberait une grande quantité d'énergie, le téléphone serait donc moins susceptible de se casser en cas d'impact avec le sol et serait protégé."
Le système sec utilisé par les chercheurs est important pour deux raisons. Dans un système humide, le réseau absorbe de l'eau, provoquant l'étirement des chaînes polymères, il ne reste donc pas beaucoup de flexibilité supplémentaire. Mais avec une matière sèche, les brins amorphes en forme de spaghetti sont initialement très compacts, avec beaucoup d'espace pour s'étirer. Lorsque les réticulations de fer sont ajoutées pour renforcer le polymère, l'élasticité de la matière sèche n'est pas compromise, parce que ces liens peuvent se briser, de sorte que les chaînes polymères ne sont pas verrouillées en place. En outre, le retrait de l'eau du réseau permet de rapprocher le catéchol et le fer et de former des régions de haute connectivité, ce qui améliore les propriétés mécaniques.
"Cette différence entre la réponse dans les systèmes humides et secs est énorme et fait de notre approche un changement de jeu en termes de synthèse de matériaux d'ingénierie utiles pour des applications à fort impact, " dit Valentin.
