Si les poils d'un pinceau s'effondraient brusquement en tas de nouilles, la brosse serait, bien sûr, devenir inutile. Lorsqu'il s'agit d'un pinceau à l'échelle du micron appelé "pinceau polyélectrolyte, " cet effondrement peut mettre hors service un médicament expérimental ou un lubrifiant prometteur.

Mais maintenant, une nouvelle étude révèle, dans les moindres détails, des choses qui font que ces poils spéciaux s'effondrent et récupèrent également. La recherche améliore la compréhension de ces brosses chimiques qui ont de nombreuses utilisations potentielles.

Que sont les brosses en polyélectrolyte ?

Les brosses en polyélectrolyte ressemblent un peu à des buissons mous, tels que les brosses à cirage, mais ils sont à l'échelle de grosses molécules et les « poils » sont constitués de chaînes polymères. Les brosses en polyélectrolyte ont un support, ou substrat, et les chaînes polymères attachées au support comme des poils doux ont des propriétés chimiques qui rendent la brosse potentiellement intéressante pour de nombreuses utilisations pratiques.

Mais les polymères sont filandreux et ont tendance à s'emmêler ou à s'agglomérer, et en les gardant redressés, comme des poils doux, est vital pour le fonctionnement de ces brosses microniques. Chercheurs du Georgia Institute of Technology, l'Université de Chicago, et le Laboratoire national d'Argonne a conçu des expériences qui ont provoqué l'effondrement des poils des brosses en polyélectrolyte, puis leur rétablissement.

Ils ont imagé les processus en détail avec une microscopie à force atomique très sensible, et ils ont construit des simulations qui correspondaient étroitement à leurs observations. Le chercheur principal Blair Brettmann de Georgia Tech et les premiers auteurs de l'étude Jing Yu et Nicholas Jackson de l'Université de Chicago ont publié leurs résultats le 8 décembre. 2017, dans la revue Avancées scientifiques .

Leurs recherches ont été soutenues par le département américain de l'Énergie, la Fondation nationale des sciences, et le Laboratoire National d'Argonne.

Du faux ADN aux lubrifiants

Les bénéfices potentiels futurs du travail des chercheurs s'étendent des matériaux industriels à la médecine.

Par exemple, les brosses en polyélectrolyte sont idéales pour les surfaces qui ont leur propre lubrification intégrée. "Si vous fixez les brosses sur des surfaces opposées, et les poils se frottent les uns contre les autres, alors ils ont un très faible frottement et d'excellentes propriétés de lubrification, " a déclaré Blair Brettmann, qui a dirigé l'étude et a récemment rejoint Georgia Tech de l'Université de Chicago.

Les brosses en polyélectrolyte pourraient aussi un jour trouver des applications médicales. Il a été démontré que leurs poils simulent l'ADN et codent pour des protéines simples. D'autres brosses pourraient être conçues pour repousser les bactéries des surfaces. Certaines brosses polyélectrolytes existent déjà dans le corps à la surface de certaines cellules.

Les brosses en polyélectrolyte peuvent faire tellement de choses différentes car elles peuvent être conçues dans de nombreuses variantes.

"Quand vous construisez les pinceaux, vous avez beaucoup de contrôle, " dit Brettmann, qui est professeur adjoint à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. "Vous pouvez contrôler à l'échelle nanométrique à quelle distance les chaînes polymères (les poils) sont espacées sur le substrat et combien de temps elles sont."

Ils sont complexes et sensibles

Pour tout leur grand potentiel, les brosses polyélectrolytes sont également complexes et sensibles, et de nombreuses recherches sont nécessaires pour comprendre comment les optimiser.

Les chaînes polymères ont des ions ioniques positifs et négatifs, ou électrolytique, charges alternées sur leur longueur, d'où le nom « polyélectrolyte ». Les chimistes peuvent enchaîner les polymères ensemble à l'aide de divers blocs de construction chimiques, ou des monomères, et concevez des modèles de charge nuancés le long de la chaîne.

Il y a plus de complexité :le support et les poils ne sont pas tout ce qui compose les brosses en polyélectrolyte. Ils baignent dans des solutions contenant des électrolytes doux, qui créent une traction ionique équilibrée de tous les côtés qui soutient les poils au lieu de les laisser s'effondrer ou s'emmêler.

"Souvent, ces mélanges contiennent un tas d'autres choses, donc la complexité de cela rend vraiment difficile à comprendre fondamentalement, " Brettmann a dit, "et donc difficile de pouvoir prédire le comportement dans des applications réelles."

Envahissement des impuretés

Lorsque d'autres produits chimiques entrent dans ces systèmes bien équilibrés qui composent les brosses en polyélectrolyte, ils peuvent faire s'effondrer les poils. Par exemple, l'ajout d'électrolytes très puissants peut agir comme une volée de boulets de démolition.

Dans leur expérience, Brettmann et ses collègues ont utilisé un puissant composé ionique construit autour de l'yttrium, un métal de terre rare avec une forte charge. (L'ion était trivalent, ou avait une valence de 3.) Les forces ioniques d'une faible dose d'électrolyte d'yttrium ont fait s'enrouler les poils de polymère comme des touffes de spaghetti collant.

Ensuite, les chercheurs ont augmenté la concentration des ions plus doux, qui a rétabli le soutien, caler les poils vers le haut. L'imagerie au microscope à force atomique a révélé des modèles très réguliers d'effondrement et de ré-extension.

Ces modèles se sont bien reflétés dans les simulations; la fiabilité des effets des ions sur l'effondrement et la récupération l'est encore plus. La capacité de construire une simulation aussi précise reflète la forte cohérence de la chimie, ce qui est une bonne nouvelle pour de futures recherches et applications pratiques potentielles.

L'inutile devient utile

Pour tous les dysfonctionnements que les chutes de poils peuvent causer, la possibilité de les réduire volontairement peut être utile. "Si vous pouviez effondrer et réactiver les poils systématiquement, vous pouvez ajuster le degré de lubrification, par exemple, ou activer et désactiver la lubrification, " a déclaré Brettmann.

Les brosses pourraient également réguler les réactions chimiques impliquant des micro- et nanoparticules en allongeant et en affaissant les poils.

« Les revêtements et les films sont souvent fabriqués en combinant soigneusement des particules d'ingénierie, et vous pouvez utiliser ces brosses pour maintenir ces particules en suspension et séparées jusqu'à ce que vous soyez prêt à les laisser se rencontrer, lier, et former le produit, " a déclaré Brettmann.

Lorsque les poils de la brosse polyélectrolyte sont déployés, ils agissent comme une barrière pour maintenir les particules à part. Faites exprès d'écraser les poils, et les particules peuvent se rassembler.

C'est un monde méchant

Les expériences ont été réalisées avec des matériaux très propres, robuste, et des composés uniformes contrairement au fouillis de produits chimiques qui peuvent exister dans les systèmes naturels ou même industriels.

"Les poils que nous avons utilisés étaient en polystyrène sulfonate, qui est un polyélectrolyte très fort, pas sensible au pH ou à bien d'autres choses, " a déclaré Brettmann. " Les biopolymères comme les polysaccharides, par exemple, sont beaucoup plus sensibles."

Comme de nombreuses expériences, celui-ci était un départ des conditions du monde réel. Mais en créant une base pour comprendre le fonctionnement de ces systèmes, Brettmann souhaite à terme pouvoir passer à des scénarios sensibles pour mieux exploiter le potentiel pratique des brosses en polyélectrolyte.