Contrôle de la forme des polymères : une nouvelle génération de matériaux adaptables à la forme
Des chercheurs contrôlent la forme des polymères en anneau en ajustant la charge électrique
Annonces
Et si un matériau complexe pouvait se remodeler en réponse à un simple signal chimique ? Une équipe de physiciens de l'université de Vienne et de l'université d'Édimbourg a montré que même de petites variations de la valeur du pH, et donc de la charge électrique, peuvent modifier l'arrangement spatial de polymères en forme d'anneau fermé (chaînes moléculaires), en modifiant l'équilibre entre la torsion et le plissement, deux modes distincts de déformation spatiale. Leurs conclusions, publiées dans Physical Review Letters, démontrent comment la charge électrique peut être utilisée pour remodeler les polymères de manière réversible et contrôlable, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour les matériaux programmables et réactifs. Avec de tels matériaux, la perméabilité et les propriétés mécaniques telles que l'élasticité, la limite d'élasticité et la viscosité pourraient être mieux contrôlées et "programmées" avec précision.
Esquisse des conformations des rubans super enroulés en fonction de la charge électrique : neutre et riche en écriture (en haut à gauche) ; entièrement chargé et riche en torsion (en haut à droite) ; partiellement chargé avec des domaines riches en écriture et riches en torsion séparés (au milieu).
C: Roman Staňo
Imaginez que vous preniez un ruban et que vous le tordiez de moitié avant de relier ses extrémités : vous créez la fameuse bande de Möbius - une boucle avec une seule torsion et une surface continue. Ajoutez d'autres torsions avant de fermer le ruban, et la structure devient super enroulée. Ces formes sont courantes en biologie et en science des matériaux, notamment dans l'ADN circulaire et les polymères synthétiques (produits artificiellement). On ne sait toujours pas si et comment l'équilibre entre la torsion - la rotation locale du ruban autour de son axe - et la déformation - l'enroulement à grande échelle du ruban dans l'espace - pourrait être réglé de manière contrôlée et réversible. L'équipe de recherche a entrepris d'étudier cette question en utilisant un système modèle de polymères en forme d'anneau, où la charge électrique - introduite par l'ionisation en fonction du pH - sert de paramètre de réglage externe.
De l'écriture à la torsion
Pour explorer les possibilités de réglage de cet équilibre topologique, les chercheurs ont combiné des simulations informatiques et une théorie analytique afin d'étudier comment la charge affecte la conformation des polymères en forme d'anneau super enroulé. Dans leur modèle, chaque unité monomérique agit comme un acide faible, gagnant ou perdant de la charge en fonction de la valeur du pH (qui spécifie l'acidité ou la basicité des solutions aqueuses) de la solution environnante. Cette configuration a permis une accumulation progressive de la charge et a révélé la façon dont la molécule se remodèle en réponse.
Les résultats : Les polymères neutres adoptent des formes compactes et riches en plis. À mesure que la charge augmente, la répulsion électrostatique s'accroît, poussant la molécule vers des conformations plus étendues et faisant passer la distribution interne de l'écriture à la torsion. Ces transitions sont lisses lorsque le taux de superenroulement est faible. Cependant, à des niveaux plus élevés, le modèle prédit une caractéristique frappante : le polymère peut se diviser en domaines coexistants riches en torsion et en écriture - une sorte de séparation de microphases topologiquement contrainte. Cette forme cachée de coexistence de phases n'avait jamais été observée auparavant dans de tels systèmes.
Pour rendre compte de ces mécanismes, les chercheurs ont élaboré une théorie du champ moyen de type Landau. Ce modèle mathématique simplifié prédit avec précision le moment où un polymère subira un changement de conformation continu ou abrupt, en fonction de son degré de superenroulement et de sa charge.
La topologie comme outil de conception
L'idée de régler non seulement la structure moléculaire, mais aussi la topologie elle-même, ouvre de nouvelles voies pour contrôler les systèmes réactifs. "En ajustant la charge locale, nous pouvons modifier l'équilibre entre la torsion et l'enroulement, ce qui nous permet de contrôler la forme de l'ensemble de la molécule", explique le premier auteur, Roman Staňo, de la faculté de physique de l'université de Vienne (actuellement à l'université de Cambrigue). Comme chaque monomère peut gagner ou perdre de la charge, le polymère se remodèle progressivement - un comportement qui ressemble à celui de véritables polyélectrolytes, tels que l'ADN chimiquement modifié. L'équipe suggère que les anneaux d'ADN synthétiques dotés de chaînes latérales sensibles au pH - qui n'ont pas encore été réalisés expérimentalement, mais qui sont désormais possibles grâce aux progrès récents de la chimie des nucléotides - pourraient présenter ce type de comportement de changement de forme contrôlable. Ces molécules agiraient comme des échafaudages topologiquement contraints, ajustant leur forme en réponse aux conditions chimiques locales.
Formes réactives, fonctions programmables
La forme des polymères n'est pas qu'une simple géométrie : elle régit le flux, la fonction et l'interaction. La capacité de passer de manière réversible d'un état dominé par la torsion à un état dominé par la déformation offre une stratégie puissante pour la conception de matériaux adaptatifs. Les polymères en anneau qui réagissent à de subtils changements de pH pourraient un jour être utilisés dans des dispositifs microfluidiques, où les conditions locales déclenchent des changements contrôlés de forme et de comportement d'écoulement. "Ce qui est remarquable", explique Christos Likos, coauteur de l'étude et membre de la faculté de physique de l'université de Vienne, "c'est que le passage d'une forme compacte à une forme étendue se fait progressivement, qu'il peut être contrôlé par le pH et qu'il ne nécessite aucune modification de la topologie de la molécule.
L'équipe note que cet effet pourrait être réalisé expérimentalement dans des anneaux d'ADN synthétiques, une possibilité rendue possible par les progrès récents de la chimie des nucléotides. Leurs résultats offrent également un aperçu prédictif : ils montrent comment la fonction peut être codée non seulement dans la composition chimique, mais aussi dans l'état topologique, ce qui ouvre la voie à une nouvelle génération de matériaux adaptables à la forme.
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.
Publication originale
Autres actualités du département science
