De grands chimistes ont découvert des moyens de combiner le carbone, l'hydrogène, l'oxygène et l'azote dans toutes sortes de plastiques :emballages alimentaires étanches, pièces automobiles résistantes à la chaleur, équipements de protection individuelle durables :la liste est longue.
Le véritable défi pour un scientifique des matériaux au 21e siècle est de trouver la recette parfaite pour rendre les polymères à la fois plus durables et plus performants, surtout si vous ne disposez que de produits pétrochimiques.
"Le pétrole comprend en grande partie des hydrocarbures, essentiellement des arrangements de carbone et d'hydrogène chimiquement liés entre eux qui ont des propriétés assez remarquables et avantageuses", a déclaré Brandon Knott, scientifique du National Renewable Energy Laboratory (NREL).
"Mais les hydrocarbures manquent d'hétéroatomes comme l'oxygène et l'azote, et leur ajout peut nécessiter une énergie importante lors de la fabrication de polymères nécessitant des fonctionnalités plus larges que celles fournies par les hydrocarbures."
Une bonne solution, a expliqué Knott, consiste à ajouter de la biomasse et des déchets riches en oxygène et en azote à la liste des ingrédients. Les tiges de maïs, les algues et même les déchets contiennent des liaisons chimiques supplémentaires qui offrent souvent aux chimistes une plus grande flexibilité pour obtenir des propriétés spécifiques.
Mais avez-vous trouvé la recette parfaite pour allier durabilité et performances inégalées ?
Un outil d'apprentissage automatique NREL, PolyID :Polymer Inverse Design, permet de trouver plus facilement l'équilibre. Grâce à l’intelligence artificielle, l’outil peut prédire les propriétés des matériaux en fonction de la structure moléculaire. Cela lui permet de filtrer des millions de modèles de polymères possibles afin de créer une courte liste de candidats pour une application donnée.
L'outil est discuté en profondeur dans Macromolécules .
L'algorithme derrière PolyID est une avancée de pointe vers une approche fondamentale connue sous le nom de « théorie de la contribution de groupe ». L'outil établit des associations entre les arrangements d'oxygène, d'hydrogène, de carbone et d'autres éléments et propriétés des matériaux pour prédire des attributs tels que l'élasticité, la tolérance à la chaleur et les performances du mastic.
Grâce à une bibliothèque croissante de connexions entre les structures moléculaires des polymères et leurs propriétés connues, il « apprend » à prédire comment de nouveaux polymères pourraient être conçus pour atteindre des caractéristiques physiques spécifiques.
"Si vous faites cela avec quelques milliers de polymères pour entraîner l'algorithme, vous commencez à obtenir des prédictions très précises pour des structures qui n'ont jamais été vues auparavant par l'algorithme et qui n'ont peut-être pas été faites auparavant", a expliqué Nolan Wilson, responsable de l'algorithme. auteur sur le papier.
Avec des milliers de polymères dans sa bibliothèque de référence, l'outil permet aux scientifiques de travailler à rebours lors de la recherche de nouvelles conceptions de polymères. Ils peuvent d'abord identifier les propriétés souhaitées et sélectionner des modèles de polymères potentiels.
Par exemple, les scientifiques du NREL ont utilisé PolyID pour examiner rapidement plus de 15 000 polymères d’origine végétale à la recherche d’alternatives biodégradables aux films d’emballage alimentaire actuels. Principalement fabriqués à partir de polyéthylène haute densité (un matériau à base de pétrole), les films d'emballage sont souvent conçus pour résister à des températures élevées et créer un solide joint anti-vapeur pour conserver la fraîcheur des aliments.
L'équipe du NREL a donné la priorité à ces propriétés dans PolyID, tout en ajoutant d'autres attributs souhaitables, notamment la biodégradabilité et une empreinte de gaz à effet de serre plus faible. L'outil a généré une courte liste de sept modèles de polymères pouvant être fabriqués à partir de la biomasse.
Après des tests supplémentaires en laboratoire, l’équipe a confirmé les prédictions de l’outil. Non seulement les sept polymères résisteraient à des températures élevées, mais ils pourraient également le faire tout en réduisant les émissions nettes de gaz à effet de serre et en conservant les aliments frais pendant de plus longues périodes.
Avec des millions de matériaux uniques issus de la biomasse, des déchets et des matières premières conventionnelles, donner la priorité à la durabilité dans la conception de nouveaux polymères a été un défi, même pour les chimistes les plus brillants.
Cela survient alors que les consommateurs exigent de plus en plus des produits avec lesquels ils interagissent. De nombreuses entreprises réagissent en innovant dans leurs produits pour réduire les déchets, promouvoir le recyclage et réduire leur empreinte carbone. Mais atteindre ces objectifs sans sacrifier les performances du produit peut s'avérer un exercice d'équilibre délicat.
Selon Wilson, là où PolyID brille le plus, c'est sa capacité à positionner la performance aux côtés d'une multitude d'autres considérations de durabilité.
"Certains d'entre eux pourraient remplacer directement des polymères pétroliers comparables", a-t-il expliqué. "Mais, dans de nombreux cas, ils sont encore meilleurs en termes de performances et de durabilité."
De cette façon, l’emballage alimentaire peut faire plus qu’améliorer la durée de conservation. Les revêtements d’une paire de skis ne contribueront pas seulement à lutter contre le froid et la neige. La coque en thermoplastique d’un casque de vélo pourrait protéger bien plus que votre cerveau. Ils peuvent également le faire tout en favorisant un environnement sain.
Plus d'informations : A. Nolan Wilson et al, PolyID :Intelligence artificielle pour la découverte de polymères durables et à performances améliorées, Macromolécules (2023). DOI :10.1021/acs.macromol.3c00994
Fourni par le Laboratoire national des énergies renouvelables
