Des matériaux aux structures améliorées, dérivés de crustacés et d’algues, pourraient constituer une solution de nouvelle génération pour remplacer les films plastiques à base de pétrole, selon une nouvelle recherche de l’Université d’État de Caroline du Nord.
Une combinaison unique de biopolymères
La combinaison de chitosane, un biopolymère qui durcit les carapaces de crabe, avec de l’agarose, un biopolymère extrait des algues utilisé pour fabriquer des gels, crée des films composites uniques aux propriétés renforcées. Ces films sont également biodégradables, possèdent des propriétés antibactériennes, repoussent l’eau et sont transparents. Ces découvertes pourraient à terme conduire à des films d’emballage durables pour les aliments et les biens de consommation.
Vers des alternatives durables aux polymères synthétiques
« Comment trouver des remplacements durables pour les polymères synthétiques ? » s’est interrogé le professeur Orlin Velev à l’Université d’État de Caroline du Nord et auteur d’un article décrivant la recherche.
« Les polymères synthétiques font de très bons films, mais nous voulons les remplacer par des biopolymères naturels. La question devient alors comment ajuster la structure conjointe de ces polymères naturels – dans notre cas, l’agarose et le chitosane – pour que nous puissions avoir toutes les propriétés souhaitables des polymères synthétiques dans un film biodégradable et durable ? »
Une approche innovante pour renforcer les films d’agarose
Il ne suffit peut-être pas de simplement mélanger le chitosane et l’agarose. Le Professeur Velev indique que les tentatives précédentes pour produire de tels mélanges ont rapporté des améliorations des propriétés, mais ont créé, une fois séchés, des films granuleux qui peuvent manquer de la bonne résistance.
Au lieu de cela, les chercheurs ont adopté une approche différente, renforçant les films d’agarose avec un matériau à l’échelle colloïdale fibrillée – appelé colloïdes dendritiques doux – fabriqué à partir de chitosane. Les fibrilles de chitosane micro- et nanométriques fortes sont hiérarchiquement ramifiées pour fournir force et stabilité au film d’agarose dans lequel elles sont intégrées.
Modifier la morphologie des polymères naturels
« Il est difficile de modifier chimiquement les polymères naturels, mais nous pouvons modifier leur morphologie et les utiliser comme composites », a ajouté Yosra Kotb, diplômée de doctorat de l’Université d’État de Caroline du Nord.
« Nous utilisons des particules dendritiques de chitosane pour renforcer la matrice d’agarose en raison de la compatibilité des deux matériaux conduisant à de bonnes propriétés mécaniques ; les particules de chitosane ont également une charge opposée à celle de l’agarose. Lorsqu’elles sont mélangées, ces charges sont neutralisées, de sorte que les matériaux résultants deviennent également plus résistants à l’eau. »
Des composites de biopolymères plus résistants
Les composites de biopolymères sont environ quatre fois plus résistants que les films d’agarose seuls, montre la recherche, et résistent également à E.coli, une bactérie couramment étudiée.
L’article a également montré qu’une feuille faite de films composites de biopolymères se dégradait grandement après un mois sous terre, tandis qu’à titre de comparaison, un sac de sandwich en plastique courant restait complètement intact après la même période sous terre.
Un matériau initialement antibactérien mais biodégradable
« De manière intéressante, notre composite est initialement fortement antibactérien », a précisé le Professeur Velev, « mais comme il est fabriqué à partir de matériaux naturels, après un certain temps, les bactéries le coloniseront toujours – donc après un mois sous terre, il se biodégradera facilement. »
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Il a ajouté également que son laboratoire continuera à travailler pour améliorer la structure des films composites de biopolymères dans le but d’égaler éventuellement les propriétés des polymères synthétiques.
« Si vous emballez de la nourriture, vous voulez que l’emballage soit imperméable à l’oxygène et à l’eau », a-t-il déclaré. « Mais les matériaux naturels sont perméables, donc nous continuerons à travailler pour rendre nos films plus imperméables à l’eau et à l’oxygène. »
Augmenter la capacité de production du matériau
Augmenter la capacité de production du matériau est également l’un des objectifs futurs. « Comment fabriquez-vous le film substitut de polymère dans un processus continu qui est assez rapide pour le produire en quantités suffisantes – comme la fabrication du papier ? » a conclu le scientifique.
En synthèse
La recherche sur les biopolymères ouvre la chemin à des alternatives durables aux films plastiques à base de pétrole. Les films composites de biopolymères présentent des propriétés améliorées, notamment une résistance accrue, une biodégradabilité, des propriétés antibactériennes, une résistance à l’eau et une transparence. Ces avancées pourraient conduire à des films d’emballage durables pour les aliments et les biens de consommation.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le chitosane et l’agarose ?
Le chitosane est un biopolymère qui durcit les carapaces de crabe, tandis que l’agarose est un biopolymère extrait des algues utilisé pour fabriquer des gels.
Pourquoi ces biopolymères sont-ils importants ?
La combinaison de ces deux biopolymères crée des films composites uniques aux propriétés renforcées, qui pourraient remplacer les films plastiques à base de pétrole.
Quels sont les avantages de ces films composites de biopolymères ?
Ils sont biodégradables, possèdent des propriétés antibactériennes, repoussent l’eau et sont transparents.
Quels sont les défis à relever pour leur production à grande échelle ?
Il reste à améliorer la structure des films pour les rendre plus imperméables à l’eau et à l’oxygène, et à augmenter la capacité de production du matériau.
Quel est l’impact environnemental de ces films composites de biopolymères ?
Contrairement aux films plastiques à base de pétrole, ces films sont biodégradables et se dégradent grandement après un mois sous terre.
Références
Article : “Hierarchically reinforced biopolymer composite films as multi-functional plastics substitute” – DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101732
