Des scientifiques ont créé un plastique équivalent à l'acier : résistant mais léger. Les plastiques, parfois appelés polymères par les chimistes, sont une classe de molécules à longue chaîne composées de courtes unités répétitives appelées monomères. Contrairement aux polymères précédents de résistance équivalente, ce nouveau matériau se présente uniquement sous forme de membrane. Il est également 50 fois plus étanche à l'air que le plastique le plus imperméable du marché. Autre atout remarquable : sa synthèse est simple. Le procédé, qui se déroule à température ambiante, ne nécessite que des matériaux bon marché, et le polymère peut être produit en masse sous forme de grandes feuilles d'une épaisseur de seulement quelques nanomètres. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 2 février dans la revue Nature.
Le matériau en question est un polyamide, un réseau de molécules d'amide (les amides sont des groupements azotés liés à des atomes de carbone par des liaisons oxygène). Parmi ces polymères, on trouve le Kevlar®, une fibre utilisée pour fabriquer des gilets pare-balles, et le Nomex®, un tissu ignifuge. À l'instar du Kevlar®, les molécules de polyamide du nouveau matériau sont liées entre elles par des liaisons hydrogène sur toute la longueur de leurs chaînes, ce qui renforce la résistance globale du matériau.
« Ils collent ensemble comme du Velcro », a déclaré Michael Strano, ingénieur chimiste au MIT et auteur principal de l'étude. Déchirer des matériaux nécessite non seulement de rompre les chaînes moléculaires individuelles, mais aussi de surmonter les liaisons hydrogène intermoléculaires géantes qui imprègnent l'ensemble du faisceau polymère.
De plus, ces nouveaux polymères peuvent former automatiquement des flocons. Cela facilite leur mise en œuvre, car ils peuvent être transformés en films minces ou utilisés comme revêtement de surface. Les polymères traditionnels ont tendance à croître sous forme de chaînes linéaires, ou à se ramifier et s'enchaîner de manière répétée en trois dimensions, quelle que soit leur orientation. Mais les polymères de Strano croissent de manière unique en 2D pour former des nanofeuilles.
« Peut-on réaliser une agrégation sur une feuille de papier ? Il s’avère que, dans la plupart des cas, c’est impossible, du moins jusqu’à nos travaux », a déclaré Strano. « Nous avons donc découvert un nouveau mécanisme. » Dans ces travaux récents, son équipe a surmonté un obstacle pour rendre possible cette agrégation bidimensionnelle.
La structure plane des polyaramides s'explique par un mécanisme de synthèse polymère appelé autocatalyse : à mesure que le polymère s'allonge et se lie aux monomères constitutifs, le réseau polymère en croissance induit la combinaison des monomères suivants uniquement dans la bonne direction, renforçant ainsi la cohésion de la structure bidimensionnelle. Les chercheurs ont démontré qu'il était possible de déposer facilement ce polymère en solution sur des plaquettes pour créer des films laminés d'un pouce de large et de moins de 4 nanomètres d'épaisseur, soit près d'un millionième de l'épaisseur d'une feuille de papier ordinaire.
Pour quantifier les propriétés mécaniques du polymère, les chercheurs ont mesuré la force nécessaire pour perforer une feuille de matériau suspendue à l'aide d'une fine aiguille. Ce polyamide est en effet plus rigide que les polymères traditionnels comme le nylon, le tissu utilisé pour la fabrication des parachutes. Fait remarquable, il faut deux fois plus de force pour dévisser ce polyamide ultra-résistant que de l'acier de même épaisseur. Selon Strano, cette substance peut servir de revêtement protecteur sur les surfaces métalliques, comme les placages de voitures, ou de filtre pour purifier l'eau. Dans ce dernier cas, la membrane filtrante idéale doit être fine mais suffisamment résistante pour supporter des pressions élevées sans laisser passer de petites impuretés dans l'eau finale – une caractéristique parfaitement adaptée à ce polyamide.
À l'avenir, Strano espère étendre la méthode de polymérisation à différents polymères, au-delà de cet analogue du Kevlar. « Les polymères sont partout autour de nous », a-t-il déclaré. « Ils sont indispensables à toutes les applications. » Imaginez transformer de nombreux types de polymères, même des polymères exotiques conducteurs d'électricité ou de lumière, en films minces pouvant recouvrir diverses surfaces, ajoute-t-il. « Grâce à ce nouveau mécanisme, d'autres types de polymères pourraient désormais être utilisés », a conclu Stano.
Dans un monde saturé de plastique, la société a de quoi s'enthousiasmer pour un nouveau polymère aux propriétés mécaniques exceptionnelles, a déclaré Strano. Cet aramide est extrêmement résistant, ce qui signifie que nous pouvons remplacer les plastiques du quotidien, des peintures aux sacs en passant par les emballages alimentaires, par des matériaux moins nombreux mais plus robustes. Strano a ajouté que, du point de vue du développement durable, ce polymère 2D ultra-résistant représente un pas dans la bonne direction pour libérer le monde du plastique.
Shi En Kim (comme on l'appelle généralement Kim) est une rédactrice scientifique indépendante d'origine malaisienne et stagiaire éditoriale pour Popular Science au printemps 2022. Elle a beaucoup écrit sur des sujets allant des utilisations insolites des toiles d'araignée — par les humains ou les araignées elles-mêmes — aux éboueurs dans l'espace.
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Date de publication : 19 mai 2022