Les nanostructures qui s'assemblent à partir de molécules polymères pourraient s'avérer être des outils utiles en chimie et en industrie. Cependant, il est difficile de développer des matériaux auto-assemblants structurellement robustes car ils sont souvent affectés négativement par leur environnement.

De nombreux organismes naturels ont évolué pour se protéger dans des environnements hostiles. Par exemple, les types d'archées - des micro-organismes unicellulaires vivant dans les sources chaudes - ont des molécules cycliques dans leurs membranes cellulaires qui forment des boucliers pour préserver la cellule sous une chaleur extrême.

Inspiré par l'utilisation par la nature de structures cycliques, Takuya Yamamoto et ses collègues du Département des matériaux organiques et polymères, Institut de technologie de Tokyo, ont considérablement amélioré à la fois la stabilité thermique et saline des structures polymères auto-assemblées, simplement en changeant la forme des polymères fondateurs de linéaire à cyclique.

L'équipe a conçu de nouveaux copolymères à blocs - des structures comprenant plusieurs polymères reliés par une liaison covalente - qui s'auto-assemblent en formes appelées micelles (Fig.1). Les micelles ont une membrane externe hydrophile (attirant l'eau), et un noyau hydrophobe (hydrofuge).

"Nous avons conçu un copolymère séquencé amphiphile cyclique en imitant les molécules de graisse dans la membrane cellulaire des archées, " explique Yamamoto. " Des copolymères linéaires et cycliques ont ensuite été utilisés pour créer des micelles en forme de fleur auto-assemblées identiques. " L'équipe a découvert que, bien que la composition chimique, la concentration et les dimensions des micelles construites à partir des deux copolymères blocs de forme différente sont restées les mêmes, les micelles à base cyclique étaient capables de résister à des températures plus élevées.

"La micelle des copolymères à blocs cycliques a résisté à des températures jusqu'à 40°C supérieures aux micelles à base linéaire, " explique Yamamoto. Les chercheurs ont découvert que les extrémités des copolymères linéaires étaient plus susceptibles de se détacher de la structure en forme de fleur pendant le chauffage, permettant la formation de ponts entre les micelles. Cela signifiait que les micelles se réunissaient en une goutte d'agglomérat à une température relativement basse. Les micelles créées par les copolymères cycliques, d'autre part, n'avait pas de « bouts libres » pour former des ponts, ce qui signifie que les structures sont restées stables jusqu'à des températures beaucoup plus élevées.

Les mêmes différences structurelles permettent une plus grande tolérance des concentrations de sel dans les micelles à base cyclique. Les queues lâches dans les micelles à base linéaire ont permis une déshydratation rapide dans des environnements très salins, alors que les structures cycliques fermées sont structurellement plus solides, les rendant plus résistants au sel.

« La combinaison de concentrations de relargage plus élevées et de résistance thermique signifie que ces micelles ont de nombreuses applications potentielles, " explique Yamamoto. " Les possibilités incluent les systèmes d'administration de médicaments, où le chauffage n'est pas possible et le sel fournit une méthode alternative pour contrôler la réaction d'une micelle afin de libérer un médicament. » L'équipe espère également que leurs micelles pourraient servir de base à de nombreux nouveaux matériaux dans le domaine de la chimie verte, parce que leur robustesse structurelle est basée uniquement sur leur forme plutôt que sur des réactions chimiques complexes.