(Phys.org) — Lorsqu'un pied de chaise se brise ou qu'un téléphone portable se brise, soit doit être réparé ou remplacé. Mais et si ces matériaux pouvaient être programmés pour se régénérer, le réapprovisionnement des composants endommagés ou manquants, et ainsi prolonger leur durée de vie et réduire le besoin de réparations coûteuses ?

Ce potentiel est désormais possible selon des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, qui ont développé des modèles informatiques pour concevoir un nouveau gel polymère qui permettrait aux matériaux complexes de se régénérer. L'article, "Exploiter les nanotiges interfacialement actives pour régénérer les gels polymères coupés", a été publié le 19 novembre dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

La chercheuse principale est Anna C. Balazs, Doctorat, Distinguished Robert v. d. de l'école Swanson. Professeur Luft de génie chimique et pétrolier, et les co-auteurs sont Xin Yong, Doctorat, associé postdoctoral, qui est l'auteur principal de l'article ; Olga Kuksenok, Doctorat, professeur agrégé de recherche; et Krzysztof Matyjaszewski, Doctorat, Professeur de l'Université J.C. Warner en sciences naturelles, département de chimie de l'Université Carnegie Mellon.

"C'est l'un des Saint Graal de la science des matériaux, " a noté le Dr Balazs. " Alors que d'autres ont développé des matériaux qui peuvent réparer de petits défauts, il n'y a pas de recherche publiée concernant les systèmes qui peuvent régénérer des sections en vrac d'un matériau sectionné. Cela a un impact énorme sur la durabilité, car vous pourriez potentiellement prolonger la durée de vie d'un matériau en lui donnant la capacité de repousser lorsqu'il est endommagé. »

L'équipe de recherche s'est inspirée des processus biologiques d'espèces telles que les amphibiens, qui peut régénérer les membres sectionnés. Ce type de régénération tissulaire est guidé par trois ensembles d'instructions critiques - initiation, propagation, et la terminaison – que le Dr Balazs décrit comme une « belle cascade dynamique » d'événements biologiques.

« Quand nous avons examiné les processus biologiques à l'origine de la régénération des tissus chez les amphibiens, nous avons réfléchi à la façon dont nous allions reproduire cette cascade dynamique dans un matériau synthétique, " a déclaré le Dr Balazs. " Nous avions besoin de développer un système qui d'abord détecterait l'élimination de la matière et initierait la repousse, puis propager cette croissance jusqu'à ce que le matériau atteigne la taille souhaitée, puis, auto-terminer le processus."

"Notre plus gros challenge était de répondre à la problématique du transport au sein d'une matière synthétique, " a déclaré le Dr Balazs. " Les organismes biologiques ont des systèmes circulatoires pour réaliser le transport de masse de matériaux comme les cellules sanguines, nutriments et matériel génétique. Les matériaux synthétiques ne possèdent pas intrinsèquement un tel système, nous avions donc besoin de quelque chose qui agisse comme un capteur pour initier et contrôler le processus."

L'équipe a développé un matériau hybride de nanotiges noyées dans un gel polymère, qui est entouré d'une solution contenant des monomères et des réticulants (molécules qui relient une chaîne polymère à une autre) afin de répliquer la cascade dynamique. Lorsqu'une partie du gel est coupée, les nanotiges près de la coupe agissent comme des capteurs et migrent vers la nouvelle interface. Les chaînes fonctionnalisées ou "jupes" à une extrémité de ces nanotiges les maintiennent localisées à l'interface et les sites (ou "initiateurs") le long de la surface de la tige déclenchent une réaction de polymérisation avec le monomère et les agents de réticulation dans la solution externe. Drs. Yong et Kuksenok ont ​​développé les modèles informatiques, et ainsi établi des directives pour contrôler le processus afin que le nouveau gel se comporte et apparaisse comme le gel qu'il a remplacé, et pour terminer la réaction afin que le matériau ne se développe pas de manière incontrôlable.

Drs. Balazs, Kuksenok et Yong créditent également Krzysztof Matyjaszewski, qui ont contribué à la compréhension de la chimie derrière le processus de polymérisation. « Notre collaboration avec le professeur Matyjaszewski a été exceptionnellement précieuse en nous permettant de rendre compte avec précision de toutes les réactions chimiques complexes impliquées dans les processus de régénération », a déclaré le Dr Kuksenok.

"La partie la plus belle mais la plus difficile a été de concevoir les nanotiges pour qu'elles remplissent plusieurs rôles, " dit le Dr Yong. " En effet, ils fournissent le véhicule parfait pour déclencher une cascade dynamique synthétique. » Les nanotiges ont une épaisseur d'environ dix nanomètres, environ 10, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer le processus et de renforcer les liens entre les gels anciens et nouvellement formés, et pour cela ils se sont inspirés d'une autre métaphore de la nature, le séquoia géant. "Un séquoia aura un système racinaire peu profond, mais quand ils grandissent en nombre, les systèmes racinaires s'entrelacent pour apporter un soutien et contribuer à leur formidable croissance, " explique le Dr Balazs. De même, les jupes sur les nanotiges peuvent fournir une résistance supplémentaire au matériau régénéré.

La prochaine génération de recherche optimiserait davantage le processus de croissance de plusieurs couches, créer des matériaux plus complexes avec de multiples fonctions.