mai 16, 2022

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Les ingénieurs du MIT créent un polymère 2D qui s’auto-assemble en feuilles

Grâce à un nouveau procédé de polymérisation, les ingénieurs chimistes du MIT ont établi un nouveau polymère bidimensionnel qui s’auto-assemble en feuilles, contrairement à tous les autres polymères qui forment des chaînes unidimensionnelles. Jusqu’à présent, les scientifiques croyaient qu’il était impossible d’induire des polymères pour former des feuilles 2D.

Le nouveau matériau est plus résistant que l’acier et aussi léger que le plastique, et peut être facilement fabriqué en grande quantité. Un tel matériau pourrait être utilisé comme revêtement léger et durable pour les pièces de voiture ou les téléphones portables, ou comme matériau de construction pour les ponts ou d’autres structures, explique Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Nous ne pensons généralement pas que les plastiques soient quelque chose que vous pourriez utiliser pour soutenir un bâtiment, mais avec ce matériau, vous pouvez activer de nouvelles choses. Il a des propriétés très inhabituelles et nous en sommes très excités.

—Michael Strano

Les chercheurs ont déposé deux brevets sur le procédé qu’ils ont utilisé pour générer le matériau, qu’ils décrivent dans un article paru dans La nature.

Les polymères, qui incluent tous les plastiques, sont constitués de chaînes de blocs de construction appelés monomères. Ces chaînes se développent en ajoutant de nouvelles molécules à leurs extrémités. Une fois formés, les polymères peuvent être façonnés en objets tridimensionnels, tels que des bouteilles d’eau, en utilisant le moulage par injection.

Les scientifiques des polymères ont longtemps émis l’hypothèse que si les polymères pouvaient être amenés à se développer en une feuille bidimensionnelle, ils devraient former des matériaux extrêmement résistants et légers. Cependant, de nombreuses décennies de travail dans ce domaine ont conduit à la conclusion qu’il était impossible de créer de telles feuilles.

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L’une des raisons en est que si un seul monomère tourne vers le haut ou vers le bas, hors du plan de la feuille en croissance, le matériau commencera à se dilater en trois dimensions et la structure en forme de feuille sera perdue. Cependant, dans la nouvelle étude, Strano et ses collègues ont proposé un nouveau procédé de polymérisation qui leur permet de générer une feuille bidimensionnelle appelée polyaramide. Pour les blocs de construction monomères, ils utilisent un composé appelé mélamine, qui contient un anneau d’atomes de carbone et d’azote. Dans de bonnes conditions, ces monomères peuvent croître en deux dimensions, formant des disques. Ces disques s’empilent les uns sur les autres, maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les couches, ce qui rend la structure très stable et solide.

Modèle auto-catalytique de 2DPA-1. Zeng et coll.


Au lieu de créer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons créer un plan moléculaire en forme de feuille, où les molécules s’accrochent ensemble en deux dimensions. Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après avoir synthétisé le matériau, nous pouvons facilement déposer par centrifugation des films minces extraordinairement résistants. Grâce à cette avancée, nous avons des molécules planes qui seront beaucoup plus faciles à transformer en un matériau très résistant mais extrêmement fin.

—Michael Strano

Parce que le matériau s’auto-assemble en solution, il peut être fabriqué en grande quantité en augmentant simplement la quantité de matières premières. Les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient revêtir des surfaces avec des films du matériau, qu’ils appellent 2DPA-1.

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Les chercheurs ont découvert que le module d’élasticité du nouveau matériau – une mesure de la force nécessaire pour déformer un matériau – est entre quatre et six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Ils ont également découvert que sa limite d’élasticité, ou la force nécessaire pour casser le matériau, est celle de l’acier, même si le matériau n’a qu’environ un sixième de la densité de deux fois l’acier.

Une autre caractéristique clé du 2DPA-1 est qu’il est imperméable aux gaz. Alors que d’autres polymères sont fabriqués à partir de chaînes enroulées avec des espaces qui permettent aux gaz de s’infiltrer, le nouveau matériau est fabriqué à partir de monomères qui se verrouillent comme des LEGO, et les molécules ne peuvent pas s’interposer.

Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins qui peuvent complètement empêcher l’eau ou les gaz de passer à travers. Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal dans les voitures et autres véhicules, ou les structures en acier.

—Michael Strano

Strano et ses étudiants étudient maintenant plus en détail comment ce polymère particulier est capable de former des feuilles 2D, et ils expérimentent la modification de sa composition moléculaire pour créer d’autres types de nouveaux matériaux.

La recherche a été financée par le Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un Energy Frontier Research Center parrainé par le US Department of Energy Office of Science et le Army Research Laboratory.

Ressources

  • Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T. et coll. (2022) « Synthèse irréversible d’un matériau polymère bidimensionnel ultrarésistant. » La nature 602, 91–95 doi : 10.1038/s41586-021-04296-3

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