Une nouvelle approche pour étudier les polymères conjugués a permis à une équipe de recherche financée par l'armée de mesurer, pour la première fois, les propriétés mécaniques et cinétiques des molécules individuelles au cours de la réaction de polymérisation. Les connaissances acquises pourraient conduire à des matériaux électroniques souples plus flexibles et plus robustes, tels que les moniteurs de santé et la robotique logicielle.

Les polymères conjugués sont essentiellement des amas de molécules enfilées le long d'un squelette qui peuvent conduire des électrons et absorber la lumière. Cela en fait un ajustement parfait pour créer de l'optoélectronique douce, tels que les appareils électroniques portables; cependant, aussi flexibles soient-ils, ces polymères sont difficiles à étudier en masse car ils s'agrègent et tombent de la solution.

"Les polymères conjugués sont une classe fascinante de matériaux en raison de leurs propriétés optiques et électroniques inhérentes qui sont dictées par leur structure polymère, " a déclaré le Dr Dawanne Poree, gestionnaire de programme, Commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l'armée. "Ces matériaux sont très pertinents pour un certain nombre d'applications d'intérêt pour l'armée et le DoD, y compris l'électronique portable, appareils portables, capteurs, et les systèmes de communication optique. À ce jour, Malheureusement, il a été difficile de développer des polymères conjugués pour des applications ciblées en raison d'un manque d'outils viables pour étudier et corréler leurs relations structure-propriété. »

Avec le financement de l'armée, des chercheurs de l'Université Cornell ont utilisé une approche qu'ils ont mise au point sur d'autres polymères synthétiques, appelé pince à épiler magnétique, qui leur a permis d'étirer et de tordre des molécules individuelles du polymère conjugué polyacétylène. La recherche a été publiée dans la revue Chimie .

"Grâce à l'utilisation de nouvelles approches de manipulation et d'imagerie de molécules uniques, ce travail a fourni les premières observations de comportements monocaténaires dans les polymères conjugués qui jette les bases d'une conception et d'un traitement rationnels de ces matériaux pour permettre une application généralisée, " dit Porée.

Les efforts antérieurs pour traiter la solubilité des polymères conjugués se sont souvent appuyés sur la dérivatisation chimique, dans lequel les structures sont modifiées avec des groupes fonctionnels d'atomes. Cependant, cette approche peut affecter les propriétés innées du polymère.

"Le polymère conjugué est vraiment un prototype, " a déclaré le Dr Peng Chen, le Peter J.W. Debye professeur de chimie et de biologie chimique à Cornell. "Vous le modifiez toujours pour l'adapter aux applications. Nous espérons que tout ce que nous avons mesuré - les propriétés fondamentales de la cinétique de synthèse, la propriété mécanique - deviennent des numéros de référence pour que les gens pensent à d'autres polymères de la même catégorie."

En 2017, Le groupe de Chen a été le premier à utiliser la technique de mesure des pincettes magnétiques pour étudier la polymérisation vivante, le visualiser au niveau d'une molécule unique. La technique avait déjà été utilisée dans le domaine de la biophysique pour étudier l'ADN et les protéines, mais personne n'avait réussi à l'étendre au domaine des polymères synthétiques.

Le processus fonctionne en fixant une extrémité d'un brin de polymère à une lamelle de verre et l'autre extrémité à une minuscule particule magnétique. Les chercheurs utilisent ensuite un champ magnétique pour manipuler le polymère conjugué, l'étirer ou le tordre, et mesurer la réponse d'une seule chaîne polymère qui croît.

Les montants sont si petits, ils restent solubles en solution, la façon dont les quantités en vrac ne le feraient normalement pas.

L'équipe a mesuré la longueur des chaînes de polymères conjugués, qui se composent de centaines de milliers d'unités monomères, grandir en temps réel. Ils ont découvert que ces polymères ajoutent un nouveau monomère par seconde, une croissance beaucoup plus rapide que leurs analogues non conjugués.

« Nous avons constaté qu'en grandissant en temps réel, ce polymère forme des enchevêtrements conformationnels, " a déclaré Chen. "Tous les polymères que nous avons étudiés forment des enchevêtrements conformationnels, mais pour ce polymère conjugué cet enchevêtrement conformationnel est plus lâche, lui permettant de grandir plus vite."

En tirant et en étirant des polymères conjugués individuels, mesures dites d'extension de force, les chercheurs ont pu évaluer leur rigidité et mieux comprendre comment ils peuvent se plier dans différentes directions tout en restant conjugués et en conservant la conductivité électronique.

Ils ont également découvert que les polymères présentaient divers comportements mécaniques d'une chaîne individuelle aux comportements suivants qui avaient été prédits par la théorie mais jamais observés expérimentalement.

Les résultats mettent en évidence à la fois le caractère unique des polymères conjugués pour une gamme d'applications ainsi que la force de l'utilisation d'une technique de manipulation et d'imagerie d'une molécule unique sur des matériaux synthétiques.

"Maintenant, nous avons une nouvelle façon d'étudier comment ces polymères conjugués sont fabriqués chimiquement et quelle est la propriété mécanique fondamentale de ce type de matériau, " a déclaré Chen. "Nous pouvons étudier comment ces propriétés fondamentales changent lorsque vous commencez à les adapter à des fins d'application. Peut-être pouvez-vous le rendre plus flexible mécaniquement et allonger le polymère, ou ajuster les conditions de synthèse pour soit synthétiser le polymère d'une manière plus rapide ou plus lente."