Les chercheurs du MIT ont conçu un matériau polymère qui peut changer sa structure en réponse à la lumière, passer d'une substance rigide à une substance plus douce qui peut se guérir lorsqu'elle est endommagée.

"Vous pouvez basculer les états matériels d'avant en arrière, et dans chacun de ces états, le matériau agit comme s'il s'agissait d'un matériau complètement différent, même s'il est composé des mêmes composants, " dit Jérémie Johnson, professeur agrégé de chimie au MIT, membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT et du programme Polymers and Soft Matter, et le chef de l'équipe de recherche.

Le matériau est constitué de polymères attachés à une molécule photosensible qui peut être utilisée pour modifier les liaisons formées au sein du matériau. De tels matériaux pourraient être utilisés pour revêtir des objets tels que des voitures ou des satellites, en leur donnant la capacité de guérir après avoir été endommagés, bien que de telles applications soient encore loin dans le futur, dit Johnson.

L'auteur principal de l'article, qui paraît dans le numéro du 18 juillet de La nature , est Yuwei Gu, étudiant diplômé du MIT. Les autres auteurs sont Eric Alt, étudiant diplômé du MIT, Adam Willard, professeur adjoint de chimie au MIT, et Heng Wang et Xiaopeng Li de l'Université de Floride du Sud.

Structure contrôlée

De nombreuses propriétés des polymères, tels que leur rigidité et leur capacité à se dilater, sont contrôlés par leur topologie, c'est-à-dire la manière dont les composants du matériau sont disposés. D'habitude, une fois qu'un matériau est formé, sa topologie ne peut pas être modifiée de manière réversible. Par exemple, une balle en caoutchouc reste élastique et ne peut être fragilisée sans modifier sa composition chimique.

Dans ce document, les chercheurs voulaient créer un matériau qui pourrait basculer de manière réversible entre deux états topologiques différents, ce qui n'a pas été fait auparavant.

Johnson et ses collègues ont réalisé qu'un type de matériau qu'ils ont conçu il y a quelques années, connues sous le nom de cages polymères métallo-organiques, ou polyMOCs, était un candidat prometteur pour cette approche. Les PolyMOC sont constitués de métaux, structures en forme de cage reliées entre elles par des lieurs polymères flexibles. Les chercheurs ont créé ces matériaux en mélangeant des polymères attachés à des groupes appelés ligands, qui peut se lier à un atome de métal.

Chaque atome de métal - dans ce cas, palladium - peut former des liaisons avec quatre molécules de ligand, créant des amas rigides en forme de cage avec des rapports variables de palladium aux molécules de ligand. Ces ratios déterminent la taille des cages.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont entrepris de concevoir un matériau qui pourrait basculer de manière réversible entre deux cages de tailles différentes :une avec 24 atomes de palladium et 48 ligands, et un avec trois atomes de palladium et six molécules de ligand.

Pour y parvenir, ils ont incorporé une molécule photosensible appelée DTE dans le ligand. La taille des cages est déterminée par l'angle des liaisons qu'une molécule d'azote sur le ligand forme avec le palladium. Lorsque le DTE est exposé à la lumière ultraviolette, il forme un cycle dans le ligand, ce qui augmente la taille de l'angle auquel l'azote peut se lier au palladium. Cela fait que les grappes se séparent et forment des grappes plus grandes.

Lorsque les chercheurs braquent le feu vert sur le matériau, l'anneau est cassé, l'angle de liaison devient plus petit, et les grappes plus petites se reforment. Le processus prend environ cinq heures, et les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient effectuer l'inversion jusqu'à sept fois; à chaque renversement, un petit pourcentage des polymères ne revient pas, ce qui finit par faire s'effondrer le matériau.

Lorsque le matériau est à l'état de petit amas, il devient jusqu'à 10 fois plus doux et plus dynamique. "Ils peuvent couler lorsqu'ils sont chauffés, ce qui signifie que vous pourriez les couper et avec un chauffage doux, les dommages guériront, " dit Johnson.

Cette approche surmonte le compromis qui se produit généralement avec les matériaux auto-cicatrisants, c'est-à-dire que structurellement, ils ont tendance à être relativement faibles. Dans ce cas, le matériau peut basculer entre le plus doux, état d'auto-guérison et un état plus rigide.

Matériaux auto-cicatrisants

Dans ce document, les chercheurs ont utilisé le polymère polyéthylène glycol (PEG) pour fabriquer leur matériau, mais ils disent que cette approche pourrait être utilisée avec n'importe quel type de polymère. Les applications potentielles incluent les matériaux auto-cicatrisants, bien que pour que cette approche soit largement utilisée, palladium, un métal rare et cher, devrait probablement être remplacé par une alternative moins chère.

"Tout ce qui est fait de plastique ou de caoutchouc, s'il pouvait être guéri quand il était endommagé, alors il n'aurait pas besoin d'être jeté. Peut-être que cette approche fournirait des matériaux avec des cycles de vie plus longs, " dit Johnson.

Une autre application possible de ces matériaux est l'administration de médicaments. Johnson pense qu'il pourrait être possible d'encapsuler des médicaments dans des cages plus grandes, puis exposez-les à la lumière verte pour les faire s'ouvrir et libérer leur contenu. L'application du feu vert pourrait permettre la récupération des drogues, fournissant une nouvelle approche pour l'administration réversible de médicaments.

Les chercheurs travaillent également à la création de matériaux pouvant basculer de manière réversible d'un état solide à un état liquide, et sur l'utilisation de la lumière pour créer des motifs de sections souples et rigides dans le même matériau.