Conteneurs anticorrosion refermables :Les capsules s'ouvrent lorsqu'elles sont réduites et les ions potassium migrent dans l'enveloppe polymère. Dès que la corrosion s'arrête, le polymère est oxydé, les capsules se ferment et libèrent à nouveau des ions potassium.
Un remède particulièrement ingénieux au problème de la rouille pourrait bientôt être disponible. Les scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH à Düsseldorf et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence ont réussi à faire deux pas de géant vers le développement d'un revêtement anticorrosion auto-cicatrisant. Dans une étude, ils ont intégré quelques capsules polymères de 100 nanomètres contenant des charges utiles anticorrosion dans un revêtement. Ils ont appliqué le revêtement sur un métal et exposé le métal à la corrosion à travers une fissure dans le revêtement. Là-dessus, les capsules se sont ouvertes et ont libéré les charges utiles protectrices. Dès la fin de l'attaque corrosive, les conteneurs se sont refermés. Dans la deuxième étude, les chercheurs ont encapsulé des substances dans des nanoconteneurs qui peuvent cicatriser les petites fissures et trous dans le revêtement métallique protecteur. Les chercheurs ont ainsi démontré que les conteneurs ont été chimiquement modifiés et ont libéré les charges utiles de guérison lorsque le processus de corrosion a commencé. Les conteneurs se referment ensuite à la fin de l'attaque corrosive.
La peau humaine et animale est exemplaire à bien des égards. Les scientifiques des matériaux sont avant tout impressionnés par la façon dont il se guérit lorsqu'il est endommagé. Ils souhaitent doter les revêtements anticorrosion de cette capacité même, afin que les fissures fines et les petits trous dans les revêtements ne soient pas un désastre à court ou à long terme pour le métal sous-jacent. « Nous avons réalisé deux avancées dans la quête d'une protection anticorrosion intelligente, " rapporte Michael Rohwerder, Responsable d'un groupe de recherche au Max-Planck-Institut für Eisenforschung.
Avec leurs collègues du Max Planck Institute for Polymer Research, les chercheurs basés à Düsseldorf ont testé des capsules fabriquées à partir du polymère conducteur polyaniline en tant que conteneurs pour des substances anticorrosives. Ils avaient décoré les nanocapsules avec des nanoparticules métalliques pour générer un contact électrique approprié entre les conteneurs et le métal sur lequel ils appliquaient les capsules en tant que composants d'un revêtement. Par un défaut du revêtement protecteur, ils ont exposé le métal à la corrosion en faisant couler une goutte d'eau salée sur l'ouverture du revêtement protecteur. L'attaque corrosive, cependant, n'a eu aucun effet, au fur et à mesure que les parois des capsules de polymère devenaient poreuses, permettant aux substances qu'ils contiennent de s'échapper, qui a ensuite bloqué le processus de réduction de l'oxygène.
Le potentiel électrochimique est la clé la plus fiable pour ouvrir les capsules
"Ce qui est crucial ici, c'est de sélectionner le bon signal pour ouvrir la paroi de la capsule, " explique Michael Rohwerder. Les capsules peuvent ainsi être ouvertes de manière purement mécanique lorsque le revêtement protecteur est rayé. Ou elles peuvent réagir à une valeur de pH croissante, qui peuvent accompagner le processus de corrosion. Cependant, l'équipe de Max Planck a choisi d'exploiter le potentiel électrochimique en tant qu'ouvre-capsule qui perforait le couvercle en polyaniline grâce à un processus de conversion chimique. "Ce potentiel chute toujours au début de la corrosion, " explique Rohwerder. " Il fournit donc le signal le plus fiable pour l'ouverture des capsules. " De plus, un contact électrique est nécessaire pour que les capsules reconnaissent également l'alarme électrochimique. Ceci est fourni par les nanoparticules métalliques entre la paroi de la capsule et le métal. Les capsules détectent l'arrêt de la corrosion par le même canal d'information, car le potentiel augmente constamment à ce stade. La paroi de la capsule se restructure alors et les pores se referment.
Les nanoconteneurs contenant des charges utiles anticorrosion peuvent être intégrés dans des revêtements métalliques. Ils libèrent des substances lorsque le revêtement est endommagé et que le métal est attaqué par la corrosion. Les chimistes de Max Planck ont synthétisé les capsules en polymère conducteur par la technique de la miniémulsion. Ils décorent ensuite les conteneurs avec des nanoparticules métalliques afin que celles-ci détectent le potentiel électrochimique au début du processus de corrosion et s'ouvrent chimiquement. Dès que la corrosion s'arrête, les capsules se referment. Les chercheurs ont également inclus des substances qui guérissent les défauts du revêtement protecteur dans ces capsules.
Les conteneurs, dans lequel les chercheurs ont inclus des charges utiles pouvant être utilisées pour former une peau en polymère. Ces charges utiles peuvent polymériser dans un défaut et sceller la fissure ou le trou. Cependant, dans cette étude, les scientifiques n'ont pas appliqué les capsules sur un métal en utilisant un revêtement pour les tester pour la corrosion. Ils ont reproduit les conditions chimiques qui existent au début et à la fin du processus de corrosion avec des substances réductrices et oxydantes et ont ainsi ouvert ou fermé les capsules. "Nous avons pu répéter ce processus redox avec les capsules de polyaniline plus de 80 fois, " dit Daniel Crespy, un chef de groupe de recherche à l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, qui a supervisé l'étude.
Les fluides huileux peuvent être encapsulés dans une miniémulsion
Le fait que les substances cicatrisantes puissent être encapsulées de manière ciblée est particulièrement intéressant du point de vue du chimiste. Ceci est rendu possible par une technique développée par des chercheurs travaillant avec Katharina Landfester à l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence. Ils produisent une émulsion à partir d'une solution aqueuse, dans laquelle flottent des gouttes d'huile. Un procédé qui ne fonctionne que de manière limitée avec du lait – au bout d'un certain temps la crème s'accumule sur le dessus – a été mis au point par les chimistes. Dans leur miniémulsion, non seulement les gouttes d'huile sont de même petite taille, mais ils restent, grâce à quelques astuces chimiques, presque complètement stable.
Avant que Daniel Crespy et ses collègues émulsionnent finement le fluide huileux dans la solution aqueuse en le mélangeant et à l'aide d'ultrasons, ils y ajoutent les composants des capsules polymères. Les composants ne réagissent pour produire des molécules à longue chaîne que lorsque les chimistes injectent un autre ingrédient chimique dans l'émulsion préparée, qui se dissout dans l'eau et déclenche la polymérisation précisément à la surface des gouttes d'huile. "C'est ainsi que l'on peut encapsuler des fluides huileux dans un milieu aqueux, " dit Daniel Crespy. Cependant, malgré l'apparence d'une recette simple, les détails les plus fins du processus sont en fait très difficiles à mettre en œuvre. Pendant la polymérisation, le milieu chimique de l'émulsion change de sorte que les gouttes d'huile ont tendance à s'agréger et s'accumuleraient normalement au-dessus de l'eau. "Mais nous avons trouvé un moyen de stabiliser l'émulsion, " dit Crespy.
Les substances anticorrosion doivent être rendues plus efficaces
De plus, il n'est pas vraiment facile de prouver que les capsules ne libèrent le remède pour guérir les défauts d'un revêtement que lorsque cela est nécessaire. À cette fin, les chercheurs de Mayence devaient isoler les capsules après chaque étape, les déplacer avec des solvants adaptés et les examiner à l'aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, qui a fourni des informations sur les volumes des substances contenues dans les capsules.
Dans les deux études récentes, l'équipe de chercheurs de Düsseldorf et de Mayence a doté les nanocapsules de certaines des fonctions qu'un revêtement anticorrosion auto-cicatrisant devrait fournir. "Nous voulons maintenant enfermer les substances cicatrisantes et les substances anticorrosion ensemble dans les mêmes capsules, " dit Crespy, car seules les deux substances combinées peuvent offrir une protection complète contre la destruction causée par la rouille. Alors que les substances anticorrosion enrayent rapidement la corrosion, comme l'arrêt initial du flux sanguin en cas de blessure, les substances cicatrisantes restaurent l'effet anticorrosion durable du revêtement. Cependant, comme une plaie cicatrisante, ils ont besoin de plus de temps pour faire leur travail. "Jusqu'à maintenant, il n'a pas été possible d'encapsuler les deux substances dans les mêmes conditions chimiques, " dit Daniel Crespy. C'est ce que lui et ses collègues aimeraient réaliser.
Michael Rohwerder a également identifié deux autres défis qui doivent encore être surmontés avant que le système anticorrosion auto-cicatrisant ne soit terminé. "D'abord, il faut identifier des substances inhibitrices aussi efficaces, par exemple, comme les chromates, " dit le scientifique. Les chromates constituent toujours la norme en termes de revêtements anticorrosion à l'heure actuelle; cependant, ils sont interdits dans un nombre croissant d'applications en raison de leur toxicité. "Seconde, nous devons nous assurer que les substances cicatrisantes atteignent un défaut plus rapidement et en plus grande quantité, " dit Rohwerder. Jusqu'à présent, ils ont été freinés par le fait qu'ils sont peu solubles dans l'eau; corrosion, cependant, ne se produit que lorsqu'un défaut est exposé à l'eau. Si les chercheurs réussissent à progresser sur ces questions, il est tout à fait possible que les revêtements métalliques soient l'égal de la peau vivante en ce qui concerne les pouvoirs d'auto-guérison.
