Le monde est rempli d'une myriade de sons et de vibrations :les sonorités douces d'un piano dérivant dans le couloir, le ronronnement relaxant d'un chat posé sur votre poitrine, le bourdonnement agaçant des lumières du bureau. Imaginez pouvoir éliminer sélectivement les bruits d'une certaine fréquence.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont synthétisé des réseaux de polymères avec deux architectures distinctes et des points de réticulation capables d'échanger dynamiquement des brins de polymère pour comprendre comment la connectivité du réseau et les mécanismes d'échange de liaisons régissent le comportement d'amortissement global du réseau. L'incorporation de liaisons dynamiques dans le réseau polymère démontre un excellent amortissement du son et des vibrations à des fréquences bien définies.

"Cette recherche consiste à utiliser des polymères pour absorber divers sons et vibrations pouvant se produire à différentes fréquences", explique Chris Evans, professeur en science et ingénierie des matériaux, qui a dirigé ces travaux. "Nous voulons savoir comment concevoir la chimie à l'échelle moléculaire du polymère de manière à contrôler sa capacité d'absorption d'énergie."

Les résultats de cette nouvelle recherche ont été récemment publiés dans Nature Communications .

Être capable d'adapter des polymères pour absorber des fréquences spécifiques peut être bénéfique pour une utilisation dans les bouchons d'oreille et les casques destinés aux personnes proches d'explosions et dans des scénarios d'exposition répétée à une certaine fréquence de bruit, comme un pilote d'hélicoptère, où une telle exposition à long terme peut entraîner des problèmes d'audition.

Les polymères sont des molécules à longue chaîne composées de nombreuses unités répétitives. Certains polymères ne sont pas entièrement linéaires et ont des branches, comme les arbres; et d'autres polymères sont fortement réticulés où les chaînes polymères individuelles sont reliées par des liaisons covalentes à d'autres chaînes, comme un réseau. Le point de réticulation est une liaison qui relie une chaîne polymère à une autre, et c'est là que les liaisons peuvent s'échanger.

Les liaisons dynamiques au sein d'un réseau polymère lui permettent de réorganiser sa structure en réponse à un changement d'environnement (température élevée, pH, exposition aux UV, etc.). Le remplacement de quelques liaisons covalentes dans les structures polymères réticulées par des liaisons dynamiques peut améliorer les propriétés du polymère telles que le module (la rigidité du matériau) et la viscosité (la facilité avec laquelle le matériau s'écoule). Les liaisons dynamiques confèrent aux matériaux des propriétés uniques telles que l'auto-cicatrisation, la super-extensibilité, les propriétés adhésives et la ténacité du matériau en raison de la modification des propriétés viscoélastiques.

"La principale avancée ici réside dans le fait que nous utilisons des liaisons covalentes dynamiques", explique Evans. "Ce sont des liaisons chimiques mais elles peuvent échanger entre elles (la partie dynamique) et lorsque deux chimies différentes sont utilisées, elles peuvent s'échanger à des échelles de temps très différentes (la partie orthogonale). Nous utilisons ce processus pour essayer de contrôler ce qui fréquences sonores et vibratoires que nous absorbons."

L'incorporation de liaisons orthogonales, où les liaisons rapides ne peuvent échanger qu'avec d'autres liaisons rapides et les liaisons lentes ne peuvent échanger qu'avec d'autres liaisons lentes, génère des modes de relaxation multiples et bien séparés, ce qui confère au réseau un excellent amortissement et des propriétés mécaniques améliorées, comme la ténacité.

L’équipe a fabriqué une série de polymères dotés de types contrôlés d’architectures et de squelettes et a examiné la manière dont les chaînes de polymères sont connectées. Evans dit que la façon dont les chaînes de polymères sont connectées fait une grande différence afin d'obtenir les processus de dissipation d'énergie à des échelles de temps très spécifiques qui correspondraient à des ondes sonores ou à des vibrations très spécifiques. Si les chaînes ne sont liées qu'aux extrémités, cela n'est pas aussi efficace que d'être liées périodiquement le long de l'épine dorsale de la chaîne.

Cependant, l’une des principales limites des matériaux utilisés dans cette recherche est qu’ils finissent par s’écouler. Par exemple, les élastiques conserveront leur forme, mais lorsque ces liaisons dynamiques seront ajoutées, ils finiront toujours par couler, comme du mastic idiot. C'est très bien, par exemple, pour un casque de soldat dont le matériau est enfermé dans la coque du casque, mais pas vraiment pour un bouchon d'oreille. Evans dit que son groupe travaille sur les moyens de faire en sorte que le polymère soit davantage un matériau autonome et qu'à l'avenir, ils aimeraient incorporer des liaisons plus dynamiques, afin que le polymère ne soit pas seulement adapté à une fréquence spécifique, mais pour une gamme de fréquences beaucoup plus large.

Chris Evans est également affilié au Materials Research Laboratory et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'UIUC.

Parmi les autres contributeurs à ce travail figurent Sirui Ge (département de science et d'ingénierie des matériaux et laboratoire de recherche sur les matériaux de l'UIUC) et Yu-Hsuan Tsao (département de science et d'ingénierie des matériaux et laboratoire de recherche sur les matériaux de l'UIUC).

Plus d'informations : Sirui Ge et al, L'architecture polymère dicte de multiples processus de relaxation dans les réseaux souples avec deux liaisons dynamiques orthogonales, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43073-w

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois