Les plastiques sont partout autour de nous, ils composent nos bouteilles d'eau, sac poubelle, matériaux d'emballage, jouets, conteneurs, et plus. Environ 300 millions de tonnes de plastique sont produites dans le monde chaque année, Pourtant, les détails de ce qui se passe à l'échelle atomique pendant le processus de production de plastiques ne sont toujours pas clairs.

Maintenant, une nouvelle technique développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE (Berkeley Lab), en collaboration avec Dow et Eindhoven University of Technology aux Pays-Bas, fournit des détails de résolution atomique sur le chlorure de magnésium, un matériau impliqué dans la production du plastique le plus courant, polyéthylène - et pourrait aider à créer une voie vers des plastiques durables. Leurs conclusions ont été rapportées dans Matériaux fonctionnels avancés .

Les chercheurs ont utilisé des faisceaux d'électrons pulsés dans un microscope électronique pour produire des images inédites de chlorure de magnésium. Un faisceau d'électrons continu endommage rapidement ce délicat, matériau sensible au faisceau, mais la nouvelle technique a permis aux chercheurs de l'étudier sans dommage.

"Si vous m'aviez demandé il y a 10 ans si nous pouvions utiliser des faisceaux d'électrons pulsés pour imager des matériaux sensibles aux faisceaux avec une résolution atomique, je ne l'aurais pas cru, " a déclaré Christian Kisielowski, auteur principal de l'étude et membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation d'utilisateurs scientifiques à l'échelle nanométrique. "Maintenant c'est possible, et cela nous a permis d'étudier un matériau important pour l'industrie des plastiques."

Kisielowski a ajouté que cela change la donne pour l'imagerie d'une large gamme de matériaux qui sont normalement endommagés à l'intérieur d'un microscope électronique. Outre le chlorure de magnésium, par exemple, les faisceaux d'électrons pulsés pourraient également être utilisés pour étudier les membranes molles et les plastiques en général.

Se concentrer sur une nouvelle voie vers des plastiques durables

Bien que le chlorure de magnésium soit largement utilisé comme structure de support pour les catalyseurs (matériaux qui accélèrent les réactions) utilisés pour fabriquer des plastiques, la manière exacte dont il fonctionne reste un mystère. Des images à l'échelle atomique du chlorure de magnésium aideraient à clarifier son rôle dans la production de plastique et pourraient aider à ouvrir la voie à des plastiques plus spécialisés et durables.

Malheureusement, les tentatives précédentes d'imagerie de ce matériau critique ont été difficiles car le chlorure de magnésium peut exister dans deux types de structures cristallines qui ont des arrangements d'atomes légèrement différents. "Le faisceau d'électrons lui-même affecte la structure matérielle, rendant difficile l'interprétation de la structure en cours d'imagerie, " a déclaré Kisielowski. " En travaillant avec nos collaborateurs, nous avons pu identifier différentes interactions."

L'équipe du Berkeley Lab a collaboré avec l'Université de technologie d'Eindhoven et Dow pour développer une technique qui délivre des impulsions périodiques d'électrons au lieu d'un faisceau d'électrons continu pour imager le chlorure de magnésium. À l'aide d'un microscope électronique modifié à Eindhoven, les chercheurs ont découvert qu'en pulsant le faisceau d'électrons comme une lumière stroboscopique extrêmement rapide avec une impulsion toutes les 160 picosecondes (1 picoseconde correspond à un trillionième de seconde), le matériau peut essentiellement "se guérir" entre les impulsions.

Il est bien connu que les échantillons sont endommagés au microscope électronique lorsque les atomes sont déplacés ou que les molécules sont divisées en particules plus petites. A travers cette étude, les chercheurs ont appris que l'accumulation de vibrations atomiques causées par le faisceau d'électrons est tout aussi importante. En pulsant le faisceau au rythme de ces vibrations, les chercheurs ont conservé la structure atomique d'origine du matériau et ont révélé que des feuilles de chlorure de magnésium s'empilaient les unes sur les autres dans un arrangement irrégulier comme une pile de livres au hasard, ce qui le distingue des autres matériaux.

Un autre problème auquel d'autres chercheurs ont été confrontés lors de l'imagerie du chlorure de magnésium est que lorsque le matériau est exposé à l'air, il change à la fois de contenu chimique et de structure cristalline (la façon dont ses atomes sont disposés dans l'espace). Mais lorsqu'on utilise des techniques conventionnelles de microscopie électronique, l'échantillon est exposé à l'air lorsqu'il est transféré au microscope.

Quand les nouvelles solutions deviennent limpides

Kisielowski a noté que grâce à leur collaboration avec Dow, ils ont pu minimiser l'exposition du matériau à l'air avant de le mettre à l'intérieur du microscope en utilisant un support spécial scellé sous vide. « Nos collègues de Dow nous ont appris à manipuler les matériaux sensibles à l'air, et c'était un élément clé de tout cela, " Kisielowski a déclaré. "Nous sommes des experts dans le contrôle du faisceau d'électrons, ce qui est tout aussi important. C'était une collaboration donnant-donnant."

« Historiquement, une compréhension au niveau atomique du chlorure de magnésium a été difficile à atteindre, " a déclaré David Yancey, le collaborateur Dow du projet, ajoutant que la relation étroite de Dow avec Berkeley Lab leur a permis d'appliquer l'expertise en microscopie de la fonderie pour résoudre ce problème difficile.

En nous associant, les chercheurs du Berkeley Lab et de Dow peuvent s'attaquer à des questions scientifiques fondamentales qui sont à l'origine de problèmes industriels complexes. « Le partenariat institutionnel ouvre de nouvelles voies pour de futures recherches, " dit Horst Simon, Directeur adjoint de la recherche du Berkeley Lab. « En abordant ces grands, des questions fondamentales conduiront à des avantages de grande envergure dans l'ensemble de la science, industrie, et l'économie du pays."

Maintenant que les chercheurs peuvent imager les catalyseurs de la production de plastique à une résolution atomique, ils s'orienteront vers l'étude des relations entre ces structures et les propriétés des plastiques, ouvrant la voie à des plastiques plus spécialisés et durables.

"Nous savons déjà que nous devons changer notre façon de traiter les plastiques dans le monde, " a déclaré Petra Specht, deuxième auteur de l'étude et chercheur au département de science et ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. "Si vous voulez apporter des modifications, vous devez savoir comment fonctionne le processus. Avec un peu de chance, notre nouvelle technique nous aidera à mieux comprendre comment se forment les plastiques, et comment nous pouvons fabriquer des matériaux plus durables, " elle a ajouté.