Dans le classique de science-fiction de Kurt Vonnegut Le berceau du chat , ice-nine est une substance capable d'élever le point de fusion de l'eau de 32 à 114,4 degrés Fahrenheit. Une fois en contact avec l'eau, il se propage instantanément et indéfiniment, laissant dans son sillage des océans gelés et des conséquences effrayantes. Heureusement, comme l'explique Vonnegut dans l'épigraphe, 'Rien dans ce livre n'est vrai.' Lorsqu'il écrit le roman en 1963, il avait peut-être raison.

Des chercheurs de l'Université de Pittsburgh ont découvert le comportement fantastique d'un polymère liquide capable de geler l'eau à température ambiante. Au-delà de donner du crédit à l'imagination prophétique de Vonnegut, le mélange résultant défie apparemment la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule qu'au sein d'un système isolé, l'entropie augmente toujours.

"Lorsque vous mélangez deux composants purs ensemble, l'entropie (ou le degré de désordre), augmente toujours, " explique John Keith, professeur adjoint de génie chimique et membre de la faculté Richard King Mellon en énergie à la Pitt's Swanson School of Engineering. « Ce trouble fait presque toujours que les mélanges ont une inférieur point de congélation que l'un ou l'autre des composants individuellement, pas plus haut."

Le mélange de sel et d'eau, par exemple, gèle à des températures plus basses que le sel ou l'eau individuellement. Cette qualité rend le sel bien adapté pour faire fondre la glace sur les routes et les trottoirs en hiver. Cependant, lorsqu'un polymère particulier - connu sous le nom de polyoxacyclobutane (POCB) - est mélangé à de l'eau, il élève le point de congélation du mélange de 32 degrés Fahrenheit à environ 100 degrés Fahrenheit. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue American Chemical Society (ACS) Macromolécules .

Ce comportement n'est pas tout à fait inédit. Le mélange de certains métaux dans des proportions spécifiques peut créer des alliages qui ont des points de fusion plus élevés que les métaux individuels. Parce que les alliages sont composés d'au moins deux atomes de tailles différentes, des combinaisons favorables d'atomes peuvent se tisser ensemble pour former des liaisons chimiques fortes qui contrecarrent la deuxième loi de la thermodynamique.

"Ce comportement, dans lequel le mélange fond plus haut que ses composants, est bien connu dans les métaux. Mais c'est très inhabituel, parmi les non-métaux, " dit Sachin Velankar, professeur agrégé de génie chimique à Pitt et expert en science des polymères. "Au mieux de ma connaissance, Le POCB semble être la seule substance à afficher ce comportement avec l'eau."

POCB est venu à l'université du fabricant de produits chimiques DuPont dans le cadre d'une collaboration de recherche entre l'entreprise et Robert Enick, vice-président de recherche pour le département de génie chimique. Un étudiant diplômé travaillant dans le laboratoire du Dr Enick a remarqué que le polymère liquide devenait trouble lorsqu'il était mélangé avec des gouttes d'eau, mais plus curieusement, la combinaison résultante - ou " hydrate " - était une pâte molle (semblable au beurre d'arachide) lorsqu'une quantité précise d'eau était ajoutée. Encore plus bizarrement, des expériences sur le matériau ont montré que des cristallites bien ordonnées se formaient entre deux liquides.

Le Dr Keith et ses collègues ont utilisé la modélisation informatique pour trouver une structure d'hydrate stable où les molécules d'eau s'enfilent dans le polymère pour former des liaisons hydrogène qui maintiennent le matériau ensemble comme de minuscules fermetures éclair. "Il faut moins d'une heure pour que le mélange s'auto-assemble à température ambiante, et la texture finale est comme un baume à lèvres, " dit le Dr Keith.

Les chercheurs de Pitt ont parcouru les revues savantes pour trouver des références scientifiques aux hydrates de POCB, qui a été produit par DuPont à la fin des années 2000 sous le nom de "Cerenol" car il est fabriqué à partir de maïs (un grain de "céréale"). Au début, leur recherche a tourné court, mais une conversation avec Eric Beckman, Distinguished Service Professor de génie chimique et co-directeur du Pitt's Mascaro Center for Sustainable Innovation, les a informés d'autres noms que le polymère aurait pu être appelés dans le passé. Peu après, les chercheurs de Pitt ont découvert que la structure de l'hydrate avait déjà été découverte par une équipe de chercheurs japonais à la fin des années 1960.

"Le polymère porte quatre ou cinq noms, et certains ne sont pas intuitifs, " dit le Dr Velankar. " Après avoir trouvé les études précédentes, nous avons réalisé que nous avions réalisé que nous avions découvert une facette passionnante d'une ancienne découverte. »

L'équipe japonaise, en utilisant des techniques de rayons X similaires à celles interprétées par Watson et Crick pour identifier la double hélice dans l'ADN, avaient trouvé des structures d'hydrates similaires en faisant fondre des formes de polymère à haut poids moléculaire qui étaient solides à température ambiante. Cette étude, qui est également apparu dans Macromolécules ACS en 1970, est passé relativement inaperçu au cours des cinq décennies qui ont suivi sa publication. L'innovation des chercheurs de Pitt est que des hydrates similaires peuvent se former spontanément avec des formes de poids moléculaire inférieur du polymère qui sont liquides à température ambiante, éliminant ainsi le besoin de faire fondre avant de mélanger avec de l'eau.

"Le polymère peut aussi aspirer doucement l'humidité de l'air naturellement, " dit le Dr Velankar. " Nous avons estimé que ce comportement était une curiosité, mais très intéressant. Notre recherche a été principalement une exploration fondamentale d'un phénomène très inhabituel, mais il y a beaucoup d'applications potentielles à considérer."

Les chercheurs de Pitt Engineering ont déjà collaboré avec Alexander Star du département de chimie de Pitt pour enrober une électrode de nanotube avec le polymère afin de la transformer en un dispositif de mémoire informatique. La revue ACS Chimie des Matériaux publié les résultats de l'étude.

L'une des applications potentielles ne sera certainement pas un appareil apocalyptique comme le ice-neuf de Vonnegut, car le POCB ne peut pas se propager instantanément ou indéfiniment dans les sources d'eau. Au lieu de déclencher l'apocalypse, des chercheurs de l'Université de Pittsburgh pensent que la découverte du comportement de congélation de ce polymère pourrait annoncer de nouvelles innovations.

"Maintenant que nous connaissons un exemple de mélange polymère-eau avec ces qualités, nous pouvons maintenant rechercher d'autres mélanges qui pourraient avoir d'autres propriétés intéressantes, ", déclare le Dr Keith. "Je suis très optimiste quant au fait qu'il s'agit d'une nouvelle classe passionnante de matériaux cristallins qui se forment spontanément à partir de mélanges de liquides."