Yuwei Gu faisait une randonnée dans le parc d’État de Bear Mountain à New York quand l’inspiration l’a frappé.
Des bouteilles en plastique jonchaient le sentier et d’autres flottaient sur un lac voisin. Cette vision discordante dans un environnement si préservé a fait s’arrêter net le chimiste de Rutgers. La nature produit de nombreuses molécules à longues chaînes appelées polymères, comme l’ADN et l’ARN, mais ces polymères naturels finissent par se décomposer. Les polymères synthétiques comme les plastiques, non. Pourquoi ?
« La biologie utilise des polymères partout, comme les protéines, l’ADN, l’ARN et la cellulose, pourtant la nature ne rencontre jamais le genre de problèmes d’accumulation à long terme que nous observons avec les plastiques synthétiques, » explique Gu, professeur assistant au Département de chimie et biologie chimique de la Rutgers School of Arts and Sciences.
Alors qu’il se tenait dans les bois, la réponse lui est venue.
« La différence doit résider dans la chimie, » affirma-t-il.
Si la nature peut construire des polymères qui servent leur but puis disparaissent, raisonna Gu, peut-être que les plastiques fabriqués par l’homme pourraient être conçus pour en faire autant. Gu savait déjà que les polymères naturels contiennent de petits groupes auxiliaires intégrés dans leur structure qui rendent les liaisons chimiques plus faciles à rompre le moment venu.
« J’ai pensé, et si nous copiions cette astuce structurelle ? » s’interrogea-t-il. « Pourrions-nous faire en sorte que les plastiques fabriqués par l’homme se comportent de la même manière ? »
L’idée a fonctionné. Dans une étude publiée dans Nature Chemistry, Gu et une équipe de scientifiques de Rutgers ont montré qu’en empruntant ce principe à la nature, ils peuvent créer des plastiques qui se décomposent dans des conditions quotidiennes sans chaleur ni produits chimiques agressifs.
« Nous voulions relever l’un des plus grands défis des plastiques modernes, » déclara Gu. « Notre objectif était de trouver une nouvelle stratégie chimique qui permettrait aux plastiques de se dégrader naturellement dans des conditions quotidiennes sans nécessiter de traitements spéciaux. »
Un polymère est une substance constituée de nombreuses unités répétitives liées entre elles, comme des perles sur un fil. Les plastiques sont des polymères, tout comme les matériaux naturels tels que l’ADN, l’ARN et les protéines. L’ADN et l’ARN sont des polymères car ce sont de longues chaînes de petites unités appelées nucléotides. Les protéines sont des polymères constitués d’acides aminés.
Les liaisons chimiques sont la « colle » qui maintient les atomes ensemble dans les molécules. Dans les polymères, ces liaisons relient chaque bloc de construction au suivant. Des liaisons solides rendent les plastiques durables, mais les rendent difficiles à décomposer. La recherche de Gu s’est concentrée sur la facilitation de la rupture de ces liaisons lorsque nécessaire, sans affaiblir le matériau pendant son utilisation.
Cette avancée fait plus que rendre les plastiques biodégradables : elle rend le processus programmable.
La clé de la découverte résidait dans la façon dont les chercheurs ont arrangé les composants de la structure chimique du plastique pour qu’ils soient en position parfaite pour commencer à se décomposer lorsqu’ils sont déclenchés.
Le processus peut être comparé au pliage d’un morceau de papier, de sorte qu’il se déchire facilement le long du pli. En « pré-pliant » la structure, le plastique peut se briser des milliers de fois plus vite que la normale. Même si le plastique est plus facile à casser lorsqu’il est activé, sa composition chimique de base reste la même, il reste donc solide et utile jusqu’au moment où l’utilisateur souhaite qu’il se dégrade.
« Le plus important, c’est que nous avons découvert que l’arrangement spatial exact de ces groupes voisins modifie considérablement la vitesse de dégradation du polymère, » souligna Gu. « En contrôlant leur orientation et leur position, nous pouvons concevoir le même plastique pour qu’il se décompose en quelques jours, mois ou même années. »
Cette capacité d’ajustement fin signifie que différents produits peuvent avoir des durées de vie adaptées à leur usage. Un emballage alimentaire à emporter pourrait ne devoir durer qu’un jour avant de se désintégrer, tandis que des pièces automobiles doivent résister pendant des années. L’équipe a démontré que la décomposition peut être intégrée ou peut être activée ou désactivée en utilisant la lumière ultraviolette ou des ions métalliques, ajoutant une autre couche de contrôle.
Les implications vont au-delà de la résolution de la crise mondiale des plastiques. Gu a indiqué que le principe pourrait permettre des innovations telles que des capsules à libération programmée de médicaments et des revêtements auto-effaçables.
« Cette recherche ouvre non seulement la porte à des plastiques plus respectueux de l’environnement, mais élargit également la boîte à outils pour concevoir des matériaux polymères intelligents et réactifs dans de nombreux domaines, » conclut-il.
Pour Gu, l’objectif ultime est clair : les plastiques doivent servir leur but puis disparaître.
« Notre stratégie offre une manière pratique, basée sur la chimie, de re-concevoir ces matériaux afin qu’ils puissent toujours bien fonctionner pendant l’utilisation mais se décomposer naturellement par la suite, » ajouta-t-il.
Les premiers tests en laboratoire ont montré que le liquide produit par la décomposition n’est pas toxique. Mais Gu a précisé que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour s’en assurer.
En y repensant, Gu a confié être surpris que l’idée née sur un sentier de montagne tranquille ait réellement fonctionné.
« C’était une pensée simple, copier la structure de la nature pour accomplir le même objectif, » se souvient-il. « Mais voir cela réussir était incroyable. »
Gu et son équipe orientent maintenant leurs recherches dans plusieurs nouvelles directions.
Ils étudient en détail si les minuscules fragments en lesquels les plastiques se décomposent sont nocifs pour les êtres vivants ou l’environnement. Cela aidera à s’assurer que les matériaux sont sûrs tout au long de leur cycle de vie.
L’équipe examine également comment leur procédé chimique pourrait fonctionner avec les plastiques ordinaires et s’intégrer aux méthodes de fabrication actuelles. En même temps, ils testent si cette approche peut être utilisée pour fabriquer des capsules qui libèrent des médicaments à des moments contrôlés.
Il reste encore quelques défis techniques, mais Gu a déclaré qu’avec plus de développement, ainsi qu’en collaborant avec des fabricants de plastique qui comprennent la nécessité de plastiques durables, leur chimie pourrait éventuellement être utilisée dans les produits de tous les jours.
D’autres scientifiques de Rutgers qui ont contribué à l’étude incluent : Shaozhen Yin, un étudiant doctoral du laboratoire Gu qui est le premier auteur de l’article ; Lu Wang, professeur associé au Département de chimie et biologie chimique ; Rui Zhang, un étudiant doctoral du laboratoire de Wang ; N. Sanjeeva Murthy, professeur associé de recherche au Laboratoire de recherche sur les biomatériaux ; et Ruihao Zhou, un ancien étudiant de premier cycle en visite.
Article : Conformational preorganization of neighbouring groups modulates and expedites polymer self-deconstruction – Journal : Nature Chemistry – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1038/s41557-025-02007-3
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