Lou Madsen (à gauche) est professeur agrégé au Département de chimie et a dirigé une collaboration interdisciplinaire internationale dans la découverte de la structure en double hélice d'un polymère appelé PBDT. Ying Wang (à droite) est un ancien doctorant du groupe de Madsen qui a été le premier auteur de l'article. Crédit :Virginia Tech
Des chercheurs du College of Science et du College of Engineering ont découvert qu'un polymère à haute résistance appelé "PBDT" a une structure en double hélice rare, ouvrant des possibilités d'utilisation dans une variété d'applications.
Cette découverte, récemment publié dans Communication Nature , vient dans le prolongement du développement d'un polymère ion-gel, qui promet de surpasser les électrolytes de batterie liquides inflammables conventionnels. Maintenant, équipé de preuves de la structure en double hélice, le potentiel de ce matériau haute performance s'étend bien au-delà des batteries.
"Ce polymère existe depuis 30 ans, et personne n'avait deviné que c'était une double hélice, " a déclaré le professeur agrégé de chimie Lou Madsen, qui a mené cette recherche. "Les doubles hélices dans les systèmes synthétiques sont essentiellement du jamais vu."
Madsen a dirigé une collaboration internationale, qui comprenait les professeurs de Virginia Tech Rui Qiao (génie mécanique) et Robert Moore (chimie), ainsi que Theo Dingemans à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et Bernd Ensing à l'Université d'Amsterdam aux Pays-Bas. Les trois professeurs de Virginia Tech sont affiliés au Macromolecules Innovation Institute.
La rigidité pourrait aider les nouveaux composites
Les composites sont des matériaux d'ingénierie qui lient plusieurs composants pour créer un nouvel ensemble de propriétés améliorées.
Les pneus et les fuselages d'avions modernes sont des exemples de composites. Ils nécessitent un matériau de base, comme le caoutchouc dans l'exemple des pneus, à mélanger avec d'autres matériaux, telles que les charges fibreuses de renfort, pour plus de force.
Madsen et son équipe avaient déjà montré en 2016 que le PBDT pouvait se mélanger avec des ions liquides pour créer un électrolyte de batterie solide.
"Avant nous étions confiants sur cette double hélice, nous avons découvert que le PBDT pouvait se mélanger avec des ions liquides et fabriquer cet électrolyte qui a une très bonne conductivité et qui est aussi mécaniquement rigide, " Madsen a déclaré. "Nous avons fait quelque chose avec PBDT, mais nous voulions savoir pourquoi cela fonctionne si bien. Nous avions la preuve qu'il s'agissait d'une double hélice, mais nous n'avions pas apprécié la plupart de ses caractéristiques."
Structures en double hélice, comme l'ADN, sont bien connus dans la nature, et ils ont une rigidité à la flexion élevée. L'ADN a un diamètre d'environ 2,5 nanomètres et est rigide jusqu'à environ 50 nanomètres de longueur, où il commence à se plier. Cela crée un "rapport de rigidité" d'environ 20 à 1, semblable à un bâton de carotte.
En comparaison, Le PBDT a un rapport de rigidité de 1, 000 à 1, ce qui en fait l'une des molécules les plus rigides jamais découvertes.
La rigidité suprême du polymère signifie que seule une fraction de celui-ci serait nécessaire pour obtenir des performances comparables aux charges de renforcement conventionnelles. Par ailleurs, le processus de création est extrêmement bon marché et facile.
"Si vous utilisez des charges conventionnelles dans un composite, vous pouvez utiliser 10 % pour obtenir les propriétés que vous souhaitez, " Madsen a dit. "Mais PBDT a cette longue longueur de rigidité et un diamètre minuscule. Cela signifie que vous n'aurez peut-être qu'à mettre 1 ou 2 % pour obtenir un matériau hautement amélioré. »
Des rayons X et de l'ADN à la modélisation informatique
De retour en 2014, Madsen et son doctorat. L'étudiant Ying Wang avait pensé que le polymère était une double hélice mais n'avait pas de preuves solides. Ils ont alors commencé des études aux rayons X sur le PBDT, similaire aux études que Rosalind Franklin a menées sur l'ADN au début des années 1950 qui ont conduit à la découverte de la double hélice d'ADN. Assez sur, la radiographie PBDT était similaire à la radiographie ADN de Franklin. Ils ont en outre utilisé une technique similaire à l'IRM pour renforcer leurs preuves.
Madsen s'est ensuite tourné vers Ensing aux Pays-Bas, puis vers Qiao à Virginia Tech pour l'aider à comprendre le polymère avec des modèles informatiques.
Qiao a déclaré qu'il ne pensait pas au départ que la simulation fonctionnerait.
"Une simulation d'un auto-assemblage pour former une structure à double hélice - je n'en avais jamais entendu parler sauf que les gens l'avaient fait pour l'ADN, " dit Qiao. " Mais pour ce genre de simulation, c'est très difficile. Mon élève a quand même essayé et miraculeusement cela a fonctionné. Nous avons essayé un tas de conditions différentes, différentes manières d'exécuter des simulations, mais les résultats étaient robustes, ce qui nous a donné une certaine confiance qu'il s'agit d'une véritable double hélice."
La confirmation de la structure en double hélice ouvre des possibilités d'application potentielle du PBDT au-delà des électrolytes de batterie, tels que les matériaux aérospatiaux légers.
"L'application de ceci va vraiment être limitée par notre imagination, " Qiao a déclaré. "Maintenant, nous avons un nouveau type de pièce Lego. Alors que de plus en plus de gens entendent parler de ce matériel, ils trouveront leur propre façon de l'utiliser. Qu'en sortira-t-il vraiment, nous n'envisageons peut-être pas aujourd'hui."
