Des matériaux plastiques intelligents activés par la lumière ou une douce chaleur

Des chimistes de l’université Ben-Gourion du Néguev ont développé un polymère « intelligent » qui pourrait simplifier, sécuriser et rendre plus économe en énergie le durcissement industriel, l’impression 3D et les réparations, avec des matériaux dont les propriétés peuvent être ajustées pour correspondre à l’application requise.

Pendant près de trente ans, les chercheurs qui ont tenté de contrôler quand et où les plastiques durcissent se sont concentrés sur la conception de catalyseurs « dormants » spéciaux, des molécules qui restent inactives jusqu’à ce qu’elles soient déclenchées par la lumière, la chaleur ou un autre signal. Ces catalyseurs sont souvent sensibles, coûteux et difficiles à manipuler.

L’équipe de BGU a renversé cette logique, comme Nir Lemcoff, doctorant, l’un des principaux auteurs de l’article, l’a décrit : « Ce travail démontre une nouvelle façon de penser un problème général en science des polymères et, espérons-le, inspirera les scientifiques du domaine à regarder les défis de leur propre travail avec un point de vue neuf ».

Au lieu d’essayer de placer l’interrupteur marche/arrêt dans le catalyseur, ils l’ont caché à l’intérieur des briques de construction du plastique elles-mêmes, créant ainsi des « monomères latents ». Ce sont des briques de construction liquides stables qui restent inactives pendant des semaines. Elles ne « s’assemblent » en un matériau solide de type plastique que lorsqu’elles sont exposées à la lumière ou à un léger chauffage.

Ces nouveaux monomères latents sont construits à partir de petites molécules appelées norbornadiènes. Les norbornadiènes peuvent être ouverts et liés en longues chaînes par une méthode standard de fabrication des plastiques appelée ROMP (polymérisation par métathèse par ouverture de cycle). Lorsqu’on les éclaire avec de la lumière UV, elles se transforment en une forme différente appelée quadricyclane, qui est essentiellement l’état « arrêt » : elle est inactive et ne construit pas de chaînes. Plus tard, un léger chauffage avec de minuscules nanoparticules d’or remet le quadricyclane « en marche » vers le norbornadiène réactif, de sorte que la construction de chaînes peut recommencer à la demande. Comme les chimistes peuvent facilement fabriquer de nombreux norbornadiènes différents, ce système commutateur pourrait donner naissance à des centaines de nouveaux matériaux de type plastique, y compris certains très difficiles à réaliser avec les méthodes existantes.

« Au lieu d’un catalyseur « dormant », nous avons créé des briques de construction « dormantes » du matériau lui-même », explique le professeur Yossi Weizmann du département de chimie de l’université Ben-Gourion, qui a dirigé l’étude. « Le mélange peut rester tranquillement sur l’étagère pendant des semaines et ne s’assemblera en un solide que lorsque vous l’éclairerez ou le réchaufferez. Ce type de durcissement à la demande, piloté par la lumière, pourrait rendre les processus de production industrielle, d’impression et de réparation plus sûrs, plus simples et plus économes en énergie ».

Les nouveaux liquides contiennent trois ingrédients clés :

• Des briques de construction qui peuvent se lier en longues chaînes de type plastique
• Un catalyseur industriel standard qui pilote la réaction de formation des chaînes
• De minuscules nanoparticules d’or qui agissent comme des chauffages microscopiques lorsqu’elles sont illuminées par une lumière proche infrarouge

Dans leur état « dormant », les monomères latents sont verrouillés dans une forme qui ne réagit pas, même si le catalyseur est déjà présent. Lorsque les chercheurs éclairent les nanoparticules d’or, celles-ci chauffent leur environnement immédiat et basculent les monomères dans une forme « active » qui se lie rapidement en un matériau solide. Le même interrupteur peut également être actionné par un chauffage conventionnel, mais pas aussi efficacement.

Puisque rien ne se passe avant l’application du déclencheur, les fabricants pourraient en principe :

• Stocker et expédier une formulation liquide prête à l’emploi pendant des semaines sans qu’elle ne s’épaississe ou ne durcisse
• Remplir, enduire ou imprimer des pièces d’abord, et ensuite seulement activer le durcissement dans des régions sélectionnées en utilisant des motifs lumineux ou des masques
• Réduire les déchets et la consommation d’énergie en évitant de devoir constamment mélanger de nouveaux lots ou chauffer des volumes entiers pendant de longues périodes

L’étude montre également que cette idée de briques de construction commutables peut faire bien plus que simplement activer ou désactiver une réaction. En mélangeant des briques de construction actives dès le départ avec d’autres qui restent endormies jusqu’à ce qu’elles soient chauffées, l’équipe peut fabriquer des plastiques dont les chaînes ont deux sections différentes, ce qui donne des matériaux aux propriétés combinées en un seul produit. Ils peuvent aussi d’abord créer un matériau mou facile à façonner, puis le verrouiller en un solide plus résistant et durable, le tout en un seul processus.

Article : Photoswitchable olefins as latent metathesis monomers for controlled polymerization – Journal : Nature Chemistry – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Ben-Gurion U.