Toute matière consiste en une ou plusieurs phases, des régions de l'espace avec une structure et des propriétés physiques uniformes. Les phases communes de H2O (solide, liquide et gaz), également connu sous le nom de glace, eau et vapeur, sont bien connus. De la même manière, bien que moins familier, peut-être, les matériaux polymères peuvent également former différentes phases solides ou liquides qui déterminent leurs propriétés et leur utilité ultime. Ceci est particulièrement vrai des copolymères à blocs, les macromolécules auto-assemblées créées lorsqu'une chaîne polymère d'un type ("Bloc A") est chimiquement liée à celle d'un type différent ("Bloc B").

"Si vous voulez un copolymère séquencé qui a une certaine propriété, vous choisissez la bonne phase pour une application donnée qui vous intéresse, " a expliqué Chris Bates, professeur adjoint de matériaux au Collège d'ingénierie de l'UC Santa Barbara. "Pour le caoutchouc des chaussures, vous voulez une phase; faire une membrane, vous en voulez un autre."

Seulement environ cinq phases ont été découvertes dans les copolymères blocs les plus simples. Trouver une nouvelle phase est rare, mais Bates et une équipe d'autres chercheurs de l'UC Santa Barbara, dont les professeurs Glenn Fredrickson (génie chimique) et Craig Hawker (matériaux), Morgan Bates, scientifique et directeur adjoint de la technologie au Dow Materials Institute de l'UCSB, et chercheur postdoctoral Joshua Lequieu, ont fait exactement cela.

Leurs conclusions sont publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Il y a environ 12 mois, Morgan Bates effectuait des travaux expérimentaux sur des polymères qu'elle avait synthétisés en laboratoire, dans le but, elle a dit, « pour comprendre les paramètres fondamentaux qui régissent l'auto-assemblage des copolymères à blocs en examinant ce qui se passe lorsque vous modifiez la chimie des blocs. »

Il existe des possibilités infinies pour la chimie des blocs "A" et "B", selon Chris Bates. "La chimie synthétique moderne nous permet de choisir pratiquement n'importe quel type de polymère A et de le connecter à un bloc B différent, " dit-il. " Compte tenu de ce vaste espace de conception, le vrai défi est de trouver les boutons les plus cruciaux pour faire tourner cet auto-assemblage de contrôle."

Morgan Bates essayait de comprendre cette relation entre la chimie et la structure.

"J'avais modifié chimiquement un paramètre lié à ce qu'on appelle 'l'asymétrie conformationnelle', ' qui décrit comment les deux blocs remplissent l'espace, " Elle s'est souvenue du processus qui a conduit à la découverte. " Nous n'essayions pas nécessairement de trouver une nouvelle phase, mais nous pensions que nous découvririons peut-être un nouveau comportement. Dans ce cas, les blocs A et B qui sont liés de manière covalente remplissent l'espace très différemment, et cela semble être le paramètre sous-jacent qui donne lieu à un auto-assemblage unique."

Après avoir créé les copolymères à blocs, elle les a emmenés à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne, dans l'Illinois, où une technique appelée "diffusion des rayons X aux petits angles" a été utilisée pour les caractériser. Le processus produit une signature bidimensionnelle de rayons X diffusés disposés en anneaux concentriques. Le placement relatif et l'intensité des anneaux indiquent une phase particulière. Morgan devait se rendre dans un laboratoire national, car le procédé nécessite des rayons X plus puissants que ce qui peut être produit sur le campus.

Après ce travail, a dit Chris Bates, "En utilisant les connaissances de la cristallographie, vous pouvez interpréter les données de diffusion et produire une image comme si vous regardiez la structure avec votre œil. Et dans ce cas, les données étaient d'une telle qualité que nous avons pu le faire sans ambiguïté."

Morgan Bates a rappelé que lorsqu'elle a examiné le schéma aux rayons X, une chose était indubitablement claire :« Cela avait l'air différent. J'ai pensé, 'Qu'est-ce que c'est?'"

C'était, bien sûr, leur phase nouvellement découverte, connu sous le nom A15. "Avec ces types de copolymères blocs AB, il n'y a qu'une poignée de phases que les gens ont observées auparavant, et nous en avons trouvé un autre, qui s'ajoute à la palette des options possibles d'un point de vue design, " dit Chris.

« Parmi les manières de catégoriser les structures, cette phase appartient à une classe dite « tétraédriquement compacte », " ajouta Lequieu, un expert en simulations informatiques qui a modélisé le comportement de phase des polymères. "La phase que nous avons trouvée dans les copolymères séquencés a en fait été observée pour la première fois en 1931 avec un allotrope [ou une forme] de tungstène. Mais dans ce cas, A15 se forme à partir d'atomes métalliques, qui créent une très petite structure à l'échelle de la longueur atomique. Nos copolymères blocs adoptent la même structure mais à une échelle de longueur deux ordres de grandeur plus grande, et, bien sûr, aucun atome de métal n'est impliqué.

"Si vous deviez regarder les deux avec un microscope, " il a continué, "leurs structures se ressembleraient, mais juste à différentes tailles. C'est fascinant que la nature choisisse d'utiliser les mêmes motifs structurels pour des matériaux complètement différents ayant une chimie et une physique totalement indépendantes."

Le projet démontre la facilité de, et penchant pour, collaboration entre les chercheurs de l'UC Santa Barbara. Tout a commencé avec une nouvelle chimie développée par Hawker et Bates pour ajuster les propriétés des matériaux, qui a été suivi par les résultats de caractérisation inattendus de Morgan. "De là, nous sommes allés voir Josh et lui avons dit qu'il y avait quelque chose d'étrange dans les expériences auquel nous ne nous attendions pas et lui avons demandé pourquoi, " a déclaré Chris Bates. Lequieu a ensuite travaillé avec Fredrickson pour développer les simulations informatiques.

"Il y a eu un très beau va-et-vient sur ce projet, " a déclaré Lequieu. " Une expérience a été faite qui était difficile à comprendre, nous avons donc effectué des simulations pour l'expliquer. Morgan a ensuite fait plus d'expériences, informé par les résultats des simulations initiales, et a observé que les calculs étaient en fait prédictifs. Les phases observées expérimentalement sont apparues là où les simulations l'avaient annoncé. À certains endroits, cependant les expériences et les simulations étaient en désaccord, nous avons donc répété plusieurs fois pour améliorer les modèles et vraiment comprendre les subtilités impliquées."

"Avancer, " a ajouté Chris Bates, "notre équipe continue d'intégrer la synthèse et la théorie des matériaux dans la recherche d'un comportement de phase plus unique."

Lequieu a décrit la boucle de rétroaction de l'expérience à la simulation en passant par la théorie et vice-versa comme "une sorte de rêve de la science des matériaux moderne. Il faut beaucoup de travail à Morgan pour fabriquer ces échantillons. C'est beaucoup plus facile si quelqu'un prédit les résultats sur un ordinateur et peut dire, « Voici un sous-ensemble de polymères à synthétiser qui devraient former la structure souhaitée. » Cette approche dite de « conception inversée » lui fait gagner beaucoup de temps et d'efforts."

En termes de nature, se rabattant sur des conceptions préférées pour des matériaux par ailleurs sans rapport, un peu d'histoire est à noter. En 1887, Lord Kelvin, qui fait partie des unités éponymes de température absolue, travaillait sur ce qui allait être connu plus tard sous le nom de « problème Kelvin ». C'était un effort pour déterminer comment l'espace pouvait être divisé en cellules de volume égal avec la plus petite surface entre elles. Sa solution proposée, qui a indiqué la mousse à bulles la plus efficace, est devenu connu sous le nom de « structure de Kelvin ».

Il a tenu pendant environ cent ans, mais en 1994 s'est avéré incorrect. Kelvin avait choisi ce qu'on pourrait appeler « la structure A, " mais une équipe de scientifiques britanniques a montré que la " Structure B " était encore meilleure. Depuis, La structure B est devenue célèbre dans les milieux scientifiques et même bien au-delà, apparaissant, par exemple, sous la forme de bulles géantes qui servent à la fois d'éléments architecturaux fonctionnels et d'éléments de conception sur le toit du Centre national aquatique de Pékin construit pour les Jeux olympiques de 2008.

Il s'avère que la nouvelle phase découverte par les chercheurs de ce projet, A15, est la structure B, confirmant une fois de plus que la nature aime un design auparavant réussi.