Des physiciens de l'Université du Luxembourg ont récemment fait des progrès significatifs dans la résolution de certaines des questions de recherche en suspens sur la cellulose. Leurs découvertes ont été publiées dans des revues prestigieuses Angewandte Chemie et Supports de communication .

La cellulose est partout

Qu'est-ce que ton jean, brocoli, papier, arbres de la forêt et l'une des nanoparticules les plus chaudes de la recherche internationale actuelle sur les matériaux ont-ils en commun ? Aussi indépendants que puissent paraître ces éléments à première vue, ils sont tous faits de la cellulose polymère. Il n'est en fait pas si surprenant que la cellulose apparaisse dans autant de contextes, parce que c'est le polymère le plus abondant sur terre, synthétisé dans chaque plante afin de lui donner force et structure. Depuis les temps anciens, l'humanité a compris d'utiliser ce matériau étonnant, le transformer en papier pour écrire dessus, fibres de coton pour confection de vêtements, et pendant l'ère industrielle dans des matériaux connexes comme la cellophane pour l'emballage, nitrocellulose pour vernis à ongles et pellicule photographique, ou l'hydroxypropylcellulose (HPC) pour créer la forme et le volume de la pilule que vous prenez lorsque vous avez besoin de quelques milligrammes de médicament. Alors que le HPC représente environ 99% de la pilule, ce n'est pas digéré, tout comme nous ne pouvons pas digérer la cellulose naturelle du brocoli lorsque nous le mangeons. Encore, que la cellulose est cruciale pour assurer le bon fonctionnement de nos intestins; ce que l'on appelle souvent « fibre » dans les aliments n'est rien d'autre que de la cellulose.

Aujourd'hui, la cellulose en tant que matériau avancé connaît une renaissance, en tant que scientifiques du monde entier, dans les universités comme dans l'industrie, découvrent de nouvelles façons de profiter de ses propriétés remarquables. Ce nouveau développement est basé sur la reconnaissance que la cellulose et ses dérivés comme le HPC peuvent s'auto-organiser en structures ordonnées complexes, aux propriétés optiques et mécaniques spectaculaires, en suspension ou dissous dans l'eau dans les bonnes conditions. Lorsque la cellulose entre dans cet état liquide ordonné, appelé «cristal liquide, ' il s'ouvre aux matériaux fonctionnels avec une gamme d'opportunités d'application, qui sont produits de manière durable et sont entièrement biodégradables, laissant une empreinte minimale sur notre planète. C'est parce qu'ils sont dérivés de plantes, algues et autres matières premières abondantes qui repoussent. Cependant, les processus impliqués sont complexes, et afin d'obtenir les bonnes propriétés dans les matériaux produits, il faut répondre à de nombreuses questions difficiles, mais aussi stimulantes, en chimie et en physique.

Les cristaux liquides comptent vraiment

Dans deux articles qui viennent d'être publiés dans des revues prestigieuses Angewandte Chemie et supports de communication, respectivement, le groupe de physique expérimentale de la matière molle, dirigé par le Prof. Jan Lagerwall au Département de physique et science des matériaux de l'Université du Luxembourg, présente des avancées significatives dans la résolution de certaines des questions de recherche en suspens entre l'abondante ressource en cellulose généreusement fournie par Mère Nature et les matériaux avancés que nous espérons en tirer. Les deux articles résument les recherches financées par le Fonds national de la recherche luxembourgeois FNR (projets COReLIGHT, SSh et MISONANCE).

Dans le premier article, Emmanouil Anyfantakis, chercheur postdoctoral à l'Université du Luxembourg, et collègues présentent une façon radicalement nouvelle de traiter les solutions HPC, leur permettant d'être préparés et manipulés à de faibles concentrations où ils s'écoulent facilement. Une fois qu'ils ont acquis leur forme cible - ici une sphère de taille environ millimétrique appelée "marbre à cristaux liquides" - la concentration est augmentée de manière très contrôlée en laissant l'excès d'eau se diffuser dans un solvant organique environnant, qui peut être réutilisé après le processus. Les billes à cristaux liquides présentent des propriétés optiques remarquables grâce à l'agencement du HPC en une structure en hélice avec une période à la même échelle que la longueur d'onde de la lumière visible.

"Remarquablement, ce type de couleur structurelle est visible dans tout le marbre, ce qui n'est pas ce que l'on attend pour ce type de cristal liquide de forme sphérique, et la couleur peut être réglée sur tout le spectre visible, du violet au rouge. Nous avons démontré que les billes peuvent être utilisées comme non électroniques (et donc autonomes, c'est-à-dire qu'aucune batterie ou autre source d'alimentation n'est nécessaire) capteurs de nombreux stimuli différents, y compris la température, déformation mécanique et la présence de produits chimiques toxiques. Par exemple, un marbre HPC à cristaux liquides initialement préparé pour la couleur verte vire au rouge et perd finalement sa couleur lorsqu'il est exposé à l'alcool toxique méthanol, " explique Emmanouil Anyfantakis.

Dans le deuxième article, Le Pr Jan Lagerwall et son ancienne doctorante Camila Honorato-Rios, aujourd'hui ingénieur R&D au Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), se sont concentrés sur la cellulose pure, ici sous forme de nanocristaux de cellulose (CNC). Il s'agit de nanotiges de cellulose cristalline de quelques centaines de nanomètres de longueur et de 5 à 10 nanomètres de largeur. Les CNC forment également une phase de cristaux liquides dans l'eau avec les tiges s'organisant en une structure hélicoïdale. Les CNC constituent l'un des nanomatériaux les plus chauds aujourd'hui, car ils sont produits de manière durable et peuvent être très utiles seuls ainsi que dans les composites. Malheureusement, leurs méthodes de fabrication laissent les nanobâtonnets très dispersés en longueur, c'est à dire., chaque lot CNC contient de nombreuses tiges longues ainsi que de nombreuses tiges courtes.

"Dans le journal, we have shown that this length dispersity is one of the main reasons for the many problems in processing CNC suspensions and obtaining materials with uniform properties, because long- and short-rod suspensions have very different viscosities and the period of the liquid crystal helix gets shorter the longer the rod. The dispersity of lengths therefore mixes CNCs that would need to be processed on very different time scales, and when they are transferred into solid films that should benefit from the liquid crystalline order, they are broken up into mosaic-like brittle structures because of the competition between short and long rods to organize into long- and short-period helices, respectivement, " explains Camila Honorato-Rios.

Surtout, the authors also provide the solution. Camila Honorato-Rios and Jan Lagerwall show that the phase separation between the liquid crystal phase and an ordinary disordered liquid, spontaneously taking place in CNC suspensions, can be used to fractionate CNC suspensions according to length. By using separatory funnels, a standard component of any chemistry lab, they divide the disperse CNC suspensions into individual fractions, each of which has a much narrower length distribution. This allows them, pour la première fois, to study the behavior of long, medium and short CNCs individually. This way they produce solid films showing uniform and controlled structural color, without the mosaic texture. "Because the technique is easily scalable, this can be a game changer for the industrial exploitation of CNC. Following the fractionation procedure, CNC producers can provide samples with much lower dispersity, allowing customers to use this remarkable new, sustainably produced, nanomaterial in a way that maximizes its performance, " comments Prof. Jan Lagerwall with enthusiasm.