Des chimistes mettent au point des matériaux plastiques intelligents qui utilisent la lumière ou une légère chaleur pour s'activer
Ils bouleversent des décennies de travaux sur les catalyseurs "dormants" en utilisant des "monomères latents", des éléments de construction liquides stables qui ne se solidifient que sur demande
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Des chimistes de l'université Ben-Gourion du Néguev ont mis au point un polymère "intelligent" qui pourrait simplifier le durcissement industriel, l'impression 3D et les réparations, les rendre plus sûrs et plus efficaces sur le plan énergétique, grâce à des matériaux dont les propriétés peuvent être adaptées à l'application requise. Leurs conclusions ont été publiées le mois dernier dans la revue Nature Chemistry.
Prof. Yossi Weizmann
Amit Paor/BGU
Pendant près de trente ans, les chercheurs qui ont tenté de contrôler le moment et le lieu de durcissement des plastiques se sont concentrés sur la conception de catalyseurs "dormants" spéciaux, des molécules qui restent en sommeil 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 la BGU a renversé cette logique, comme le décrit Nir Lemcoff, doctorant et l'un des principaux auteurs de l'article : "Ce travail démontre une nouvelle façon de penser à propos d'un problème général dans la science des polymères et inspirera, nous l'espérons, les scientifiques dans ce domaine à considérer les défis de leur propre travail avec un point de vue nouveau".
Au lieu d'essayer de placer l'interrupteur marche/arrêt dans le catalyseur, ils l'ont caché à l'intérieur des blocs de construction en plastique eux-mêmes, en créant ce que l'on appelle des "monomères latents". Il s'agit de blocs de construction liquides stables qui restent inactifs pendant des semaines. Ils ne se transforment en matière plastique solide que lorsqu'ils sont exposés à la lumière ou à un léger chauffage.
Ces nouveaux monomères latents sont fabriqués à partir de petites molécules appelées norbornadiènes. Les norbornadiènes peuvent être ouverts et reliés en longues chaînes par une méthode standard de fabrication de plastique appelée ROMP (ring-opening metathesis polymerization). Lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV, ils se transforment en une forme différente appelée quadricyclane, qui est essentiellement l'état "éteint" : il est inactif et ne construit pas de chaînes. Par la suite, un léger chauffage à l'aide de minuscules nanoparticules d'or permet au quadricyclane de se transformer en norbornadiène réactif, de sorte que la construction de chaînes peut reprendre à la demande. Comme les chimistes peuvent facilement fabriquer de nombreux norbornadiènes différents, ce système commutable pourrait donner naissance à des centaines de nouveaux matériaux semblables à des plastiques, y compris certains qui sont très difficiles à fabriquer avec les méthodes existantes.
Au lieu d'un catalyseur "dormant", nous avons créé des blocs de construction "dormants" du matériau lui-même", explique le professeur Yossi Weizmann, du département de chimie de l'université Ben-Gurion, qui a dirigé l'étude. "Le mélange peut rester tranquillement sur une étagère pendant des semaines et ne se transforme en solide que lorsqu'on l'éclaire ou qu'on le réchauffe. Ce type de durcissement à la demande, piloté par la lumière, pourrait rendre la production industrielle, l'impression et les processus de réparation plus sûrs, plus simples et plus efficaces sur le plan énergétique".
Les nouveaux liquides contiennent trois ingrédients clés :
- des éléments constitutifs qui peuvent se lier entre eux pour former de longues chaînes ressemblant à du plastique
- Un catalyseur industriel standard qui entraîne la réaction de formation de la chaîne.
- De minuscules nanoparticules d'or qui agissent comme des chauffages microscopiques lorsqu'elles sont éclairées par une lumière proche de l'infrarouge.
Dans leur état "endormi", les monomères latents sont enfermés dans une forme qui ne réagit pas, même si le catalyseur est déjà présent. Lorsque les chercheurs éclairent les nanoparticules d'or, ils chauffent leur environnement immédiat et font basculer les monomères dans une forme "active" qui se lie rapidement en un matériau solide. Le même interrupteur peut également être déclenché par un chauffage conventionnel, mais de manière moins efficace.
Étant donné que rien ne se produit tant que le déclencheur n'est pas appliqué, les fabricants pourraient en principe.. :
- stocker et expédier une formulation liquide prête à l'emploi pendant des semaines sans qu'elle n'épaississe ou ne durcisse
- remplir, revêtir ou imprimer des pièces d'abord, puis activer le durcissement dans des zones sélectionnées à l'aide de motifs lumineux ou de masques
- réduire les déchets et la consommation d'énergie en évitant de devoir constamment mélanger de nouveaux lots ou de chauffer des volumes entiers pendant de longues périodes.
L'étude montre également que cette idée de blocs de construction commutables peut faire bien plus que simplement activer et désactiver une réaction. En mélangeant des blocs de construction qui sont actifs dès le départ avec d'autres qui restent endormis jusqu'à ce qu'ils soient chauffés, l'équipe peut fabriquer des plastiques dont les chaînes ont deux sections différentes, ce qui permet d'obtenir des matériaux aux propriétés combinées dans un seul produit. Elle peut également créer un matériau mou facile à façonner, puis le transformer en un matériau solide plus résistant et plus durable, le tout en un seul processus.
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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