Nouveau polymère deux fois plus résistant que l’acier à une fraction de sa densité
Le polyaramide est facilement transformable en solution, selon les chercheurs du MIT, permettant de nombreuses nouvelles applications nécessitant un rapport résistance/poids élevé.
Des chercheurs du MIT ont créé un polymère bidimensionnel qui s’auto-assemble en feuilles avec une limite d’élasticité deux fois supérieure à celle de l’acier, même si le matériau n’a qu’environ un sixième de sa densité. Les applications incluent des revêtements légers et durables pour les pièces de voiture ou les téléphones portables, ou comme matériau de construction pour les ponts ou d’autres structures.
Jusqu’à cette percée, les scientifiques pensaient qu’il était impossible d’induire des polymères pour former des feuilles 2D, rapporte Anne Trafton du MIT News Office. Les polymères forment généralement des chaînes unidimensionnelles de type spaghetti, et après des décennies de recherche, le consensus scientifique était qu’il serait impossible de maintenir une structure en forme de feuille 2D. L’une des raisons est que si un seul monomère devait tourner vers le haut ou vers le bas, hors du plan de la feuille en croissance, le matériau commencerait à se dilater en trois dimensions et la structure en forme de feuille serait perdue, écrit Trafton.
Dans cette nouvelle étude, Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT, et ses collègues ont inventé un procédé de polymérisation qui utilise un composé de mélamine contenant un anneau d’atomes de carbone et d’azote. Dans de bonnes conditions, ces monomères peuvent croître en deux dimensions, formant des disques. Ces disques s’empilent les uns sur les autres, maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les couches, ce qui rend la structure très stable et solide.
Une connexion moléculaire
« Au lieu de créer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons créer un plan moléculaire en forme de feuille, où nous amenons les molécules à s’accrocher en deux dimensions », a déclaré Strano à Trafton. « Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après avoir synthétisé le matériau, nous pouvons facilement enduire par centrifugation des films minces extraordinairement résistants. » Les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient revêtir des surfaces avec des films du matériau, qu’ils appellent 2DPA-1.
Le module d’élasticité du nouveau matériau est entre quatre et six fois supérieur à celui du verre pare-balles, selon les chercheurs, et sa limite d’élasticité est le double de celle de l’acier, même si le matériau n’a qu’environ un sixième de la densité de l’acier.
« Un aspect important de ces nouveaux polymères est qu’ils sont facilement transformables en solution, ce qui facilitera de nombreuses nouvelles applications où un rapport résistance/poids élevé est important, comme les nouveaux matériaux composites ou barrières de diffusion », a commenté Matthew Tirrell, Dean de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. Il n’a pas participé à l’étude.
Propriétés de barrière supérieures
Parce qu’il est composé de monomères qui se verrouillent comme des Legos, ne laissant aucun espace, le 2DPA-1 est imperméable aux gaz. « Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins capables d’empêcher complètement l’eau ou les gaz de passer à travers », a déclaré Strano. « Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal dans les voitures et autres véhicules, ou les structures en acier. »
UNE papier décrivant la recherche a été publié dans Nature le 2 février. Strano est l’auteur principal et le post-doctorant du MIT Yuwen Zeng est l’auteur principal.
Les chercheurs ont déposé deux brevets sur le procédé utilisé pour générer le matériau.
Ils étudient maintenant comment ce polymère particulier est capable de former des feuilles 2D et expérimentent la modification de sa composition moléculaire pour créer d’autres types de nouveaux matériaux, selon l’article de la salle de presse du MIT.
La recherche a été financée par le Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un Energy Frontier Research Center parrainé par le US Department of Energy Office of Science et le Army Research Laboratory.
