fr.wedoany.com Rapport : Des chimistes du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont peut-être transformé des plastiques courants comme le polystyrène, de matériaux fragiles en matériaux pare-balles, grâce à une méthode contre-intuitive : ajouter des liaisons faibles pour rendre le matériau plus résistant.
Cette recherche, dirigée par Jeremiah Johnson, titulaire de la chaire de professeur A. Thomas Geurtin au département de chimie du MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research, a intégré de nouvelles molécules de réticulation appelées mécanophores dans des polymères courants comme le polystyrène et le caoutchouc styrène-butadiène-styrène (SBS). Après cette intégration, la résistance des matériaux aux impacts de projectiles a été améliorée. Les résultats de l'étude, publiés dans la revue Nature, pourraient avoir un impact sur des secteurs tels que l'automobile et l'électronique grand public.
Johnson a déclaré que ces agents de réticulation peuvent considérablement augmenter l'énergie absorbée par le matériau lors d'un impact de projectile. Si cette méthode peut être étendue à d'autres polymères, les perspectives d'application seront très vastes.
Cette innovation repose sur un concept apparemment paradoxal : rendre un matériau plus résistant en y introduisant des points faibles. L'équipe du MIT a ajouté des mécanophores, qui agissent comme des liaisons de réticulation faibles dispersées dans le matériau, permettant au polymère de dissiper l'énergie plus efficacement sous déformation. Lorsqu'il est percuté par un projectile, ces liaisons faibles se rompent sélectivement au point d'impact, ouvrant des voies pour une meilleure absorption d'énergie. Le polystyrène est un polymère vitreux rigide utilisé pour fabriquer des récipients en plastique, des bouteilles, des gobelets, des couverts jetables et des revêtements pour appareils électroniques. Selon le MIT, bien qu'il soit parfois marqué du code de recyclage 6, le polystyrène est difficile à recycler et est rarement collecté pour être réutilisé aux États-Unis.
Cette étude s'appuie sur des travaux menés en 2023 par Johnson et ses collègues du MIT et de l'Université Duke, qui avaient montré que des agents de réticulation faibles pouvaient rendre les polymères plus résistants dans des conditions de déchirure lente. Lorsqu'une fissure commence à se propager dans le matériau, les mécanophores se divisent en deux parties, contribuant à dissiper l'énergie et à modifier la trajectoire de la fissure, ce qui signifie qu'il faut investir plus d'énergie pour déchirer le matériau.
Contrairement aux travaux précédents axés sur la déchirure lente, cette nouvelle recherche se concentre sur le développement de stratégies basées sur les mécanophores pour résister aux déformations rapides causées par des chocs soudains. Les chercheurs ont incorporé les mécanophores directement comme agents de réticulation dans des polymères courants, puis ont validé leur approche à l'aide de tests d'impact par microprojectiles induits par laser (LIPIT). Le système LIPIT a été inventé par Keith Nelson, professeur de chimie Haslam and Dewey et co-auteur principal de l'étude. Lors des tests, de minuscules microbilles de silice d'environ 10 micromètres de diamètre sont projetées à une vitesse d'environ 750 mètres par seconde sur des films polymères. En mesurant le changement de vitesse des particules avant et après leur traversée du film, l'énergie absorbée par le matériau est calculée.
Les expériences ont montré que le polystyrène réticulé avec des mécanophores absorbe beaucoup plus d'énergie lors d'un impact que le polystyrène ordinaire. Les chercheurs attribuent ce comportement à une transition locale, induite par la force et le chauffage adiabatique, d'un état thermodurcissable à un état thermoplastique. Dans ce processus, la rupture sélective des mécanophores favorise une déformation viscoplastique au point d'impact, tout en maintenant l'intégrité du réseau dans les zones environnantes. Les chercheurs indiquent que cette stratégie a montré sa polyvalence à la fois dans le polystyrène vitreux et dans le copolymère tribloc caoutchouteux styrène-butadiène-styrène. Ces résultats établissent la réticulation par mécanophores comme un principe de conception pour transformer les polymères de commodité en matériaux résistants aux chocs, et ouvrent la voie à l'intersection de la mécanochimie des polymères et du comportement des matériaux à des taux de déformation extrêmes.
En collaborant avec des chercheurs du MIT, de l'Université Purdue, de l'Université Northwestern et de l'Université Duke pour des expériences et des simulations, l'équipe a découvert comment les mécanophores améliorent la résistance aux chocs. Lorsqu'une particule à grande vitesse frappe le matériau, la température au point d'impact augmente suffisamment pour former une zone mobile. Dans cette zone, les liaisons des mécanophores se rompent sélectivement sous l'effet de la force, ouvrant des canaux contrôlés pour mieux absorber l'énergie d'impact, tout en laissant les zones situées au-delà du point d'impact relativement intactes et stables. Yoan Simon, professeur associé à l'École des sciences moléculaires de l'Université d'État de l'Arizona, a déclaré que cette approche permet de conférer cette propriété à des plastiques de commodité « prêts à l'emploi », y compris les polymères vitreux et élastomères, avec un minimum de modifications chimiques, ce qui la rend assez évolutive et pertinente.
Les chercheurs ont réussi à insérer des mécanophores dans le caoutchouc SBS (utilisé pour les semelles de chaussures, l'asphalte et les matériaux de toiture) et ont observé des effets similaires. Ils explorent actuellement si cette méthode peut être appliquée au caoutchouc styrène-butadiène, l'un des principaux composants des pneus. En cas de succès, cette technologie pourrait permettre de produire des pneus plus durables et de réduire les microplastiques générés par le contact entre les pneus et la route, qui représentent au moins 10 % des microplastiques présents dans l'environnement. L'équipe étudie également si cette méthode est applicable à d'autres types de polymères, comme le latex. Katharine Covert, directrice de programme au Center for Chemical Innovation de la National Science Foundation (NSF), a déclaré que les matériaux contenant des mécanophores absorbant l'énergie pourraient un jour aider à prévenir les crevaisons de pneus de véhicules sur les autoroutes, ou fournir des coques plus protectrices pour les appareils électroniques personnels.
Cette recherche a été financée par le Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks de la National Science Foundation, le U.S. Army Research Office via l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, la Schmidt Science Postdoctoral Fellowship, et le U.S. Air Force Office of Scientific Research. Les anciens postdoctorants du MIT Zhen Sang et Suong T. Nguyen, ainsi que l'étudiant diplômé du MIT Kwangwook Ko, sont les premiers auteurs de l'article.
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