Des matériaux polymères plus durables et durables pourraient réduire la consommation de plastique –

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  • La science des polymères a rendu possible les pneus en caoutchouc, le téflon et le kevlar, les bouteilles d’eau en plastique, les vestes en nylon parmi de nombreuses autres caractéristiques omniprésentes de la vie quotidienne. Les polymères élastiques, appelés élastomères, peuvent être étirés et relâchés à plusieurs reprises et sont utilisés dans des applications telles que les gants et les valves cardiaques, où ils doivent durer longtemps sans se déchirer. Mais une énigme a longtemps laissé perplexe les scientifiques des polymères : les polymères élastiques peuvent être rigides, ou ils peuvent être durs, mais ils ne peuvent pas être les deux.

    Ce conflit rigidité-ténacité est un défi pour les scientifiques qui développent des polymères qui pourraient être utilisés dans des applications telles que la régénération des tissus, les bioadhésifs, la bioimpression, l’électronique portable et les robots mous.

    Dans un article publié aujourd’hui dans Science, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont résolu ce conflit de longue date et développé un élastomère à la fois rigide et résistant.

    “En plus de développer des polymères pour des applications émergentes, les scientifiques sont confrontés à un défi urgent : la pollution plastique”, a déclaré Zhigang Suo, professeur de mécanique et de matériaux Allen E. et Marilyn M. Puckett, auteur principal de l’étude. « Le développement des polymères biodégradables nous a encore une fois ramenés à des questions fondamentales : pourquoi certains polymères sont-ils résistants, mais d’autres cassants ? Comment faire en sorte que les polymères résistent à la déchirure sous l’effet d’étirements répétés ?

    Les chaînes polymères sont fabriquées en liant ensemble des blocs de construction monomères. Pour rendre un matériau élastique, les chaînes polymères sont réticulées par des liaisons covalentes. Plus il y a de réticulations, plus les chaînes polymères sont courtes et plus le matériau est rigide.

    “Au fur et à mesure que vos chaînes polymères deviennent plus courtes, l’énergie que vous pouvez stocker dans le matériau diminue et le matériau devient cassant”, a déclaré Junsoo Kim, étudiant diplômé à SEAS et co-premier auteur de l’article. “Si vous n’avez que quelques liaisons croisées, les chaînes sont plus longues et le matériau est résistant mais trop spongieux pour être utile.”

    Pour développer un polymère à la fois rigide et résistant, les chercheurs se sont tournés vers des liaisons physiques plutôt que chimiques pour relier les chaînes polymères. Ces liaisons physiques, appelées enchevêtrements, sont connues dans le domaine depuis presque aussi longtemps que la science des polymères existe, mais on pense qu’elles n’ont d’impact que sur la rigidité, pas la ténacité.

    Mais l’équipe de recherche SEAS a découvert qu’avec suffisamment d’enchevêtrements, un polymère pouvait devenir dur sans compromettre la rigidité. Pour créer des polymères fortement enchevêtrés, les chercheurs ont utilisé une solution de précurseur de monomère concentré avec 10 fois moins d’eau que les autres recettes de polymères.

    “En entassant tous les monomères dans cette solution avec moins d’eau, puis en la polymérisant, nous les avons forcés à s’emmêler, comme des fils emmêlés”, a déclaré Guogao Zhang, chercheur postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article. “Tout comme avec les tissus tricotés, les polymères maintiennent leur connexion les uns avec les autres en étant physiquement entrelacés.”

    Avec des centaines de ces enchevêtrements, seulement une poignée de réticulations chimiques sont nécessaires pour maintenir la stabilité du polymère.

    “En tant qu’élastomères, ces polymères ont une ténacité, une résistance et une résistance à la fatigue élevées”, a déclaré Meixuanzi Shi, chercheur invité à SEAS et co-auteur de l’article. “Lorsque les polymères sont immergés dans l’eau pour devenir des hydrogels, ils ont un faible frottement et une résistance à l’usure élevée.”

    Cette haute résistance à la fatigue et haute résistance à l’usure augmente la durabilité et la durée de vie des polymères.

    “Nos recherches montrent qu’en utilisant des enchevêtrements plutôt que des réticulations, nous pourrions réduire la consommation de certains plastiques en augmentant la durabilité des matériaux”, a déclaré Zhang.

    “Nous espérons que cette nouvelle compréhension de la structure des polymères élargira les opportunités d’applications et ouvrira la voie à des matériaux polymères plus durables et durables dotés de ces propriétés mécaniques exceptionnelles”, a déclaré Kim.

    Le bureau du développement technologique de Harvard a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.

    Cette recherche a été financée en partie par Harvard MRSEC sous le numéro de subvention DMR-2011754

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