Représentation symbolique de la façon dont la dispersion d'un plastique peut être contrôlée en mélangeant deux catalyseurs (tubes de peinture). Crédit :Whitfield R et al, Chem, 2020
Des chercheurs de l'ETH ont développé une nouvelle méthode pour produire des polymères de différentes longueurs. Cela ouvre la voie à de nouvelles classes de matériaux polymères à utiliser dans des applications auparavant inconcevables.
Il est difficile d'imaginer la vie quotidienne sans matériaux en polymères synthétiques. Vêtements, pièces de voiture, ordinateurs ou emballages, ils sont tous constitués de matériaux polymères. Beaucoup de polymères sont présents dans la nature, trop, comme l'ADN ou les protéines.
Les polymères sont construits sur une architecture universelle :ils sont composés de briques élémentaires appelées monomères. La synthèse des polymères consiste à lier des monomères entre eux pour former de longues chaînes. Imaginez enfiler des perles de verre sur une ficelle et créer des chaînes de différentes longueurs (et poids).
Des procédés de polymérisation avec des limites
Un procédé industriel important pour la production de polymères est la polymérisation radicalaire (FRP). Chaque année, l'industrie chimique utilise du FRP pour produire 200 millions de tonnes de polymères de divers types, comme le polyacrylique, polychlorure de vinyle (PVC) et polystyrène.
Bien que cette méthode de production présente de nombreux avantages, il a aussi ses limites. Le FRP produit un mélange incontrôlable d'innombrables polymères de différentes longueurs; en d'autres termes, sa dispersion est élevée. La dispersité est une mesure de l'uniformité ou de la non-uniformité de la longueur des chaînes polymères dans un matériau. Les propriétés du matériau sont déterminées dans une large mesure par cette dispersion.
Dans le cas des polymères usuels, des polymères ayant à la fois une faible et une forte dispersité sont nécessaires. En réalité, pour de nombreuses applications de haute technologie, y compris les produits pharmaceutiques ou l'impression 3D, une forte dispersion peut même être un avantage.
Le rapport de mélange des deux catalyseurs (vert et rouge) détermine la dispersité des polymères. Crédit :ETH Zurich
Des polymères aux nouvelles propriétés
Cependant, si les chimistes veulent produire des matériaux polymères aux propriétés très spécifiques, ils doivent d'abord et avant tout pouvoir ajuster la dispersité comme on le souhaite. Cela leur permet de produire une large gamme de matériaux polymères qui contiennent soit des espèces polymères uniformes, c'est-à-dire avoir une faible dispersité, ou sont fortement dispersés avec un grand nombre de polymères de longueurs différentes. Jusqu'à maintenant, cela n'a guère été possible.
Un groupe de chercheurs dirigé par Athina Anastasaki, Professeur de Matériaux Polymères au Département de Science des Matériaux, a maintenant développé une méthode de contrôle de la polymérisation radicalaire, permettant ainsi aux chercheurs de contrôler systématiquement et complètement la dispersité des matériaux polymères. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue Chimie .
Autrefois, afin de pouvoir contrôler au moins en partie le processus de polymérisation radicalaire, les chimistes utiliseraient un seul catalyseur. Bien que cela garantisse que les chaînes polymères résultantes deviennent uniformément longues, il ne permet pas de contrôler la dispersité globale comme on le souhaite.
Deux catalyseurs font l'affaire
Désormais, les chercheurs de l'ETH emploient simultanément deux catalyseurs aux effets différents :l'un est très actif, l'autre peu active. Cela leur a permis d'ajuster précisément la dispersité en fonction du rapport dans lequel ils ont mélangé les deux catalyseurs. Si le catalyseur le plus actif était plus abondant, des polymères plus uniformes ont été produits, ce qui signifiait que le matériau résultant avait une faible dispersité. Si, cependant, le catalyseur moins actif était plus abondant, un grand nombre de molécules polymères différentes ont été formées.
Ce travail signifie qu'Anastasaki et son équipe ont créé une base pour le développement de nouveaux matériaux polymères. En outre, leur processus est également évolutif; cela fonctionne non seulement en laboratoire, mais aussi lorsqu'il est appliqué à de plus grandes quantités de substances. Un autre avantage de cette méthode est que même les polymères à haute dispersité peuvent continuer à croître une fois le processus de polymérisation lui-même terminé, ce qui était auparavant considéré comme impossible.
La grande efficacité et l'évolutivité de l'approche ont déjà suscité l'intérêt de l'industrie. Les polymères produits avec le nouveau procédé pourraient être utilisés en médecine, vaccins, cosmétiques ou impression 3D.
