Il y a de fortes chances que vous ayez touché quelque chose en polymère de polyoléfine aujourd'hui. Il est souvent utilisé dans les produits en polyéthylène comme les sacs en plastique ou les produits en polypropylène comme les couches.

Aussi utiles que soient les polyoléfines dans la société, ils continuent à se multiplier sous forme de déchets dans l'environnement. Les scientifiques estiment que les sacs en plastique, par exemple, mettra des siècles à se dégrader.

Mais maintenant, des chercheurs de Virginia Tech ont synthétisé une alternative biodégradable aux polyoléfines en utilisant un nouveau catalyseur et le polymère polyester, et cette percée pourrait éventuellement avoir un impact profond sur les efforts de durabilité.

Rong Tong, professeur adjoint au Département de génie chimique et membre du corps professoral affilié du Macromolecules Innovation Institute (MII), a dirigé l'équipe de chercheurs, dont les résultats ont été récemment publiés dans la revue Communication Nature .

L'un des plus grands défis de la chimie des polymères est de contrôler la tacticité ou la stéréochimie du polymère. Lors de la multiplication de sous-unités monomères dans la chaîne macromoléculaire, il est difficile pour les scientifiques de reproduire un arrangement cohérent de groupes fonctionnels de chaîne latérale issus de la chaîne polymère principale. Ces groupes fonctionnels de chaîne latérale affectent grandement les propriétés physiques et chimiques d'un polymère, telles que la température de fusion ou la température de transition vitreuse, et la stéréochimie régulière conduit à de meilleures propriétés.

Tong a déclaré que son groupe avait maintenant trouvé un moyen de créer une stéréochimie régulière avec des polyesters.

"Il n'y a pas de méthode disponible pour faire ce genre de chimie, " a déclaré Tong. " Les gens ont déjà fait un travail similaire avec le polylactide, mais nous avons fondamentalement montré que si nous contrôlons la stéréochimie, les polyesters auront des propriétés physiques et chimiques améliorées."

Tong et son postdoc, Quanyou Feng, a combiné un nouveau catalyseur photoredox Ni/Ir - un processus chimique étonnamment simple qui utilise une ampoule domestique pour démarrer la réaction - avec un catalyseur stéréosélectif au Zn pour initier la polymérisation par ouverture de cycle du monomère O-carboxyanhydride pour créer ces polyesters améliorés. Les monomères peuvent être commodément polymérisés en quelques heures seulement avec des traces de catalyseurs. Le matériau résultant a un poids moléculaire élevé, stabilité thermique et cristallinité, et peut se dégrader dans une solution aqueuse basique.

"Si vous utilisez un catalyseur ordinaire, il n'a pas de contrôle stéréochimique, mais nous avons découvert que notre catalyseur peut le faire, " dit Tong. " Dans notre journal, nous montrons comment concevoir de tels catalyseurs stéréosélectifs et comment ils aident au contrôle de la stéréochimie. »

Les O-carboxyanhydrides sont constitués d'acides aminés, qui sont des composés organiques naturels, donc ces polyesters se dégraderaient, contrairement aux polyoléfines non dégradables actuelles. En outre, Les O-carboxyanhydrides peuvent apporter différents groupes fonctionnels au polyester et diversifier l'application du polymère. Actuellement, la FDA n'a approuvé que quelques polyesters pour une application biomédicale.

Après avoir finalisé la synthèse, Tong a ensuite travaillé avec Guoliang "Greg" Liu, professeur adjoint au Département de chimie et membre du corps professoral affilié au MII, pour montrer que les nouveaux polymères avaient des propriétés améliorées.

"Le laboratoire du Dr Tong dispose de techniques de conception et de polymérisation de catalyseurs exceptionnelles, et nous avons d'excellentes compétences en caractérisation et en traitement, il est donc naturel pour nous de travailler ensemble, " a déclaré Liu. "Contrôler et prouver la tacticité n'est pas un processus trivial. En utilisant la calorimétrie différentielle à balayage et la résonance magnétique nucléaire, nous fournissons des preuves solides de la structure et des propriétés que nous recherchons."

Le développement de ces polyesters en applications est toujours en cours, mais Liu a déclaré qu'il s'agissait pour l'instant d'une avancée significative pour la recherche sur les matériaux.

"Cette synthèse de polyester qui contrôle la tacticité peut fournir une nouvelle bibliothèque de matériaux polymères que nous n'avions pas auparavant, " dit Liu.

Cette pièce de chimie innovante a enthousiasmé Tong et Liu pour un avenir où des plastiques dégradables et verts peuvent être produits pour remplacer les plastiques pétroliers d'aujourd'hui qui persistent dans les décharges et les océans pendant des décennies ou des siècles.

Tong a mentionné que cette nouvelle technologie de synthèse de polymères n'a été démontrée qu'à l'échelle du laboratoire universitaire. Il reste encore beaucoup de travail à faire pour caractériser ces matériaux fonctionnels et perfectionner le processus de mise à l'échelle de la synthèse en instance de brevet.

"Ce serait notre rêve de voir ces polyesters dégradables se matérialiser sur le marché, pour l'industrie plastique et les applications biomédicales, " dit Tong.

L'équipe de Tong comprend également Yongliang Zhong, un doctorat en génie chimique. étudiant; Dong Guo, un étudiant en chimie travaillant dans le laboratoire de Liu; et le collaborateur Linghai Xie, professeur à l'Université des postes et télécommunications de Nanjing en Chine, qui a aidé sur les études de calcul pour élucider le mécanisme de stéréosélectivité du catalyseur.