Un hydrogel très enchevêtré (à gauche) et un hydrogel ordinaire (à droite). Crédit :Suo Lab/Harvard SEAS
La science des polymères a rendu possible les pneus en caoutchouc, Téflon et Kevlar, bouteilles d'eau en plastique, vestes en nylon parmi de nombreuses autres caractéristiques omniprésentes de la vie quotidienne. Polymères élastiques, appelés élastomères, peuvent être étirés et relâchés à plusieurs reprises et sont utilisés dans des applications telles que les gants et les valves cardiaques, où ils doivent durer longtemps sans se déchirer. Mais une énigme a longtemps déconcerté les scientifiques des polymères :les polymères élastiques peuvent être rigides, ou ils peuvent être durs, mais ils ne peuvent pas être les deux.
Ce conflit rigidité-ténacité est un défi pour les scientifiques qui développent des polymères qui pourraient être utilisés dans des applications telles que la régénération tissulaire, bioadhésifs, bio-impression, électronique portable, et des robots mous.
Dans un article publié aujourd'hui dans Science , Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont résolu ce conflit de longue date et développé un élastomère à la fois rigide et résistant.
« En plus de développer des polymères pour des applications émergentes, les scientifiques sont confrontés à un défi urgent :la pollution plastique, " dit Zhigang Suo, le professeur Allen E. et Marilyn M. Puckett de mécanique et des matériaux, l'auteur principal de l'étude. « Le développement des polymères biodégradables nous a encore une fois ramenés à des questions fondamentales :pourquoi certains polymères sont-ils résistants, mais d'autres cassants ? Comment faire en sorte que les polymères résistent à la déchirure sous des étirements répétés ? »
Les chaînes polymères sont fabriquées en liant ensemble des blocs de construction monomères. Pour rendre un matériau élastique, les chaînes polymères sont réticulées par des liaisons covalentes. Plus il y a de réticulations, plus les chaînes polymères sont courtes et plus le matériau est rigide.
"Au fur et à mesure que vos chaînes polymères deviennent plus courtes, l'énergie que vous pouvez stocker dans le matériau diminue et le matériau devient cassant, " a déclaré Junsoo Kim, un étudiant diplômé à SEAS et co-premier auteur de l'article. "Si vous n'avez que quelques liaisons croisées, les chaînes sont plus longues, et le matériau est dur mais trop spongieux pour être utile."
Pour développer un polymère à la fois rigide et résistant, les chercheurs se sont penchés sur le physique, plutôt que des liaisons chimiques pour lier les chaînes polymères. Ces liens physiques, appelés enchevêtrements, sont connus dans le domaine depuis presque aussi longtemps que la science des polymères existe, mais on pense qu'ils n'ont d'impact que sur la rigidité, pas la ténacité.
Mais l'équipe de recherche SEAS a découvert qu'avec suffisamment d'enchevêtrements, un polymère pourrait devenir dur sans compromettre la rigidité. Pour créer des polymères fortement enchevêtrés, les chercheurs ont utilisé une solution de précurseur de monomère concentré avec 10 fois moins d'eau que d'autres recettes de polymères.
Chaque chaîne polymère a un grand nombre d'enchevêtrements le long de sa longueur (à gauche) et une réticulation à chaque extrémité. Un polymère étiré (au milieu) montrant la transmission de la tension à d'autres chaînes. Crédit :Suo Lab/Harvard SEAS
"En entassant tous les monomères dans cette solution avec moins d'eau, puis en la polymérisant, nous les avons forcés à s'empêtrer, comme des fils emmêlés, " a déclaré Guogao Zhang, un boursier postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l'article. "Comme avec les tissus tricotés, les polymères maintiennent leur connexion les uns avec les autres en étant physiquement entrelacés."
Avec des centaines de ces enchevêtrements, juste une poignée de réticulations chimiques sont nécessaires pour maintenir le polymère stable.
"Comme les élastomères, ces polymères ont une ténacité élevée, force, et résistance à la fatigue, " dit Meixuanzi Shi, chercheur invité à SEAS et co-auteur de l'article. "Lorsque les polymères sont immergés dans l'eau pour devenir des hydrogels, ils ont un faible frottement, et une haute résistance à l'usure."
Cette haute résistance à la fatigue et haute résistance à l'usure augmente la durabilité et la durée de vie des polymères.
"Nos recherches montrent qu'en utilisant des enchevêtrements plutôt que des réticulations, nous pourrions diminuer la consommation de certains plastiques en augmentant la durabilité des matériaux, " dit Zhang.
« Nous espérons que cette nouvelle compréhension de la structure des polymères élargira les possibilités d'applications et ouvrira la voie à des projets plus durables, des matériaux polymères durables avec ces propriétés mécaniques exceptionnelles, ", a déclaré Kim.
