18.05.2022 - University of Massachusetts Amherst

Une nouvelle théorie promet de remodeler la façon dont nous pensons aux superstructures des polymères

Les scientifiques peuvent désormais prédire avec précision comment se forment les réseaux de double-gyroïde

Des scientifiques spécialistes des polymères de l'université du Massachusetts Amherst ont récemment annoncé dans la revue Nature Communications qu'ils avaient résolu un mystère de longue date concernant une structure à l'échelle nanométrique, formée par des collections de molécules, appelée double-gyroïde. Cette forme est l'une des plus recherchées par les spécialistes des matériaux, et elle a un large éventail d'applications ; mais, jusqu'à présent, une compréhension prévisible de la façon dont ces formes se forment a échappé aux chercheurs.

"Il existe une belle interaction entre les mathématiques pures et la science des matériaux", explique Greg Grason, auteur principal de l'article et professeur de science et d'ingénierie des polymères à UMass Amherst. "Notre travail consiste à étudier la manière dont les matériaux s'auto-assemblent en formes naturelles."

Ces formes peuvent prendre de nombreuses formes. Elles peuvent être simples, comme une couche, un cylindre ou une sphère. "Un peu comme des films de savon", ajoute Michael Dimitriyev, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des polymères à UMass Amherst, et l'un des coauteurs de l'article. "Il existe une compréhension intuitive des formes que les molécules, telles que celles du savon, peuvent construire. Ce que nous avons fait, c'est révéler la géométrie cachée qui permet aux polymères de prendre la forme d'un giroïde double."

À quoi ressemble un giroïde double ? Ce n'est pas intuitif. "C'est quelque chose qui se situe entre une couche et un cylindre", explique Abhiram Reddy, chercheur postdoctoral à Northwestern, qui a effectué cette recherche dans le cadre de ses études supérieures à UMass Amherst et auteur principal de l'article. En d'autres termes, imaginez un morceau de moustiquaire plat - une couche - et tordez-le pour obtenir une couche en forme de selle qui s'insère dans une boîte cubique de manière à ce que sa surface reste aussi petite que possible. C'est un gyroïde. On parle de double gyroïde lorsqu'un deuxième matériau, également torsadé en gyroïde, comble les vides du premier gyroïde. Chaque matériau gyroïde forme un réseau de tubes qui s'interpénètrent les uns les autres. Ensemble, ils forment un matériau extrêmement complexe qui est à la fois symétrique sur toutes ses faces, comme de nombreux cristaux, et pourtant traversé par des canaux labyrinthiques, chacun formé d'unités moléculaires différentes. Comme ce matériau est un hybride de deux gyroïdes, il peut être conçu pour avoir des propriétés contradictoires.

Ces doubles-gyroïdes existent dans la nature et sont observés depuis longtemps, mais jusqu'à présent, personne n'avait compris comment les molécules en chaîne, connues sous le nom de copolymères à blocs, savent former des doubles-gyroïdes. Reddy et ses coauteurs se sont appuyés sur un modèle théorique antérieur, en y ajoutant une forte dose de thermodynamique et une nouvelle approche du problème de l'emballage - ou de la meilleure façon de remplir un récipient fini avec de la matière - empruntée à la géométrie informatique et connue sous le nom de carte médiane. Étant donné que les copolymères doivent s'étirer pour occuper chaque partie de la structure auto-assemblée, pour comprendre cette formation, il faut savoir comment les molécules "mesurent le milieu" des formes, comme les gyroïdes, qui sont bien plus complexes que les sphères et les cylindres. Le modèle théorique actualisé de l'équipe n'explique pas seulement la formation déroutante des gyroïdes doubles, mais il est prometteur pour comprendre comment le problème de l'emballage fonctionne dans un éventail beaucoup plus large de superstructures auto-assemblées, telles que les doubles diamants et les doubles primitifs, ou même des structures qui n'ont pas encore été découvertes.

Les chercheurs, qui ont été financés par le ministère américain de l'énergie, prévoient ensuite de collaborer avec des chimistes de synthèse pour commencer à affiner leur théorie à l'aide de données expérimentales. L'objectif final est d'être en mesure d'élaborer une grande variété de matériaux tirant parti de la structure du double-gyroïde et pouvant contribuer à faire progresser un large éventail de technologies, des batteries rechargeables aux revêtements réfléchissant la lumière.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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