Une capacité fascinante et cruciale du tissu biologique, comme les muscles, est auto-cicatrisante et auto-renforçante en réponse aux dommages causés par des forces externes. La plupart des polymères fabriqués par l'homme, d'autre part, casser de manière irréversible sous une contrainte mécanique suffisante, ce qui les rend moins utiles pour certaines applications critiques comme la fabrication d'organes artificiels. Mais et si nous pouvions concevoir des polymères qui réagissent chimiquement aux stimuli mécaniques et utilisaient cette énergie pour améliorer leurs propriétés ?

Ce but, qui s'est avéré être un grand défi, est à l'honneur dans le domaine de la mécanochimie. Dans une étude récente publiée dans Angewandte Chemie Édition Internationale , une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, Université de Yamagata, et l'Institut de recherche chimique de Sagami, Japon, fait des progrès remarquables avec les polymères auto-renforçants en vrac. Professeur Hideyuki Otsuka, qui a dirigé l'étude, explique leur motivation :« Poursuivre le développement de systèmes en vrac élégants dans lesquels une réaction induite par la force provoque un changement clair des propriétés mécaniques représenterait une avancée révolutionnaire en mécanochimie, chimie des polymères, et la science des matériaux." Ils ont atteint cet objectif en se concentrant sur le difluorénylsuccinonitrile (DFSN), un « mécanophore » ou molécule qui répond à un stress mécanique.

L'équipe a créé des chaînes polymères de polyuréthane segmentées avec des segments fonctionnels durs et mous. Les segments mous contiennent des molécules DFSN agissant comme leur « maillon le plus faible, " avec ses deux moitiés reliées par une seule liaison covalente. Les segments mous ont également leurs chaînes latérales surmontées d'unités méthacryloyle. Lors de l'application d'une contrainte mécanique, comme une simple compression ou extension, sur le polymère, la molécule DFSN se divise en deux radicaux cyanofluorène (CF) égaux. Ces radicaux CF, contrairement au DFSN, acquérir une couleur rose, facilitant la détection visuelle des dommages mécaniques.

Plus important encore, les radicaux CF réagissent avec les unités méthacryloyle dans les chaînes latérales d'autres polymères, provoquant l'accrochage chimique de polymères séparés les uns aux autres dans un processus connu sous le nom de réticulation. Ce phénomène fait finalement augmenter la résistance globale du matériau en vrac à mesure que les polymères deviennent plus chimiquement entrelacés. Cet effet de réticulation chimique, comme les scientifiques l'ont prouvé expérimentalement, devient plus prononcé à mesure que davantage de cycles de compression sont effectués sur les échantillons de polymère segmentés, car davantage de molécules DFSN sont divisées en radicaux CF.

En outre, l'équipe a créé une légère variante de leur polymère segmenté qui non seulement devient rose, mais présente également une fluorescence sous irradiation ultraviolette lorsqu'une force mécanique lui est appliquée. Cette fonctionnalité est utile lorsque vous essayez de quantifier plus précisément l'étendue des dommages causés par les contraintes mécaniques.

Les propriétés et fonctionnalités attractives des polymères développés sont utiles, par exemple, pour une détection intuitive des dommages et la création de matériaux adaptatifs. Exprimant leur enthousiasme pour leurs découvertes, Otsuka remarque :« Nous avons développé avec succès des polymères mécanosensibles sans précédent qui présentent un changement de couleur, fluorescence, et capacité d'auto-renforcement, marquant le premier rapport de réactions de réticulation induites par la force obtenues par simple extension ou compression d'un film en vrac. Nos découvertes représentent une avancée significative dans la recherche fondamentale de la mécanochimie et ses applications en science des matériaux."

Au fur et à mesure que des matériaux plus mécano-sensibles avec des fonctions uniques sont développés, nous pouvons nous attendre à explorer leurs myriades d'applications dans divers domaines industriels et d'ingénierie. Soyez sûr de garder un œil sur les futurs progrès de la mécanochimie!