Une nouvelle méthode dévoile les mystères de la conception pour les matériaux intelligents

Les chercheurs ont développé un nouveau processus qui pourrait percer certains des mystères de la conception de l’avenir des matériaux «intelligents».

Des scientifiques de l’Université Northwestern et de l’Université de Floride ont développé une nouvelle méthode de microscopie qui donne aux chercheurs un aperçu du processus de polymérisation qui se produit en science des matériaux pour créer des nanoparticules aux capacités sans précédent.

La méthode leur donne la possibilité de voir les éléments constitutifs des matériaux «intelligents» se former à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie au développement de nouvelles solutions pour l’eau potable, les médicaments et d’autres applications, ont-ils déclaré.

« Cette recherche ouvre la porte à l’observation de matériaux capables de détecter leur environnement », a déclaré Nathan Gianneschi, professeur de chimie, de science des matériaux et de génie biomédical à Northwestern. Nouvelles de conception. Il a collaboré avec Brent Sumerlin, professeur de chimie des polymères à l’Université de Floride, sur le travail.

La méthode permet aux scientifiques de visualiser cette classe de polymérisation en temps réel, à l’échelle nanométrique, ce qui n’a jamais été fait auparavant, a-t-il déclaré. Maintenant, ils peuvent voir la réaction se produire et la formation de nanostructures, qui les informeront sur la façon de tirer parti de leurs possibilités, a déclaré Gianneschi.

Le potentiel des nanoparticules

La polymérisation par dispersion est un processus scientifique courant utilisé pour fabriquer des médicaments, des cosmétiques, du latex et d’autres articles, généralement à l’échelle industrielle. « La chimie des polymères est responsable d’une vaste gamme de matériaux avec lesquels nous interagissons quotidiennement », nous a expliqué Gianneschi. « Tout le plastique autour de vous a été fait de cette façon. »

À l’échelle nanométrique, la polymérisation fonctionne légèrement différemment ; là, il peut être utilisé pour créer des nanoparticules avec des propriétés uniques et précieuses, a-t-il déclaré.

« [Polymerization] comprend également la nanotechnologie avancée où la soi-disant «matière molle» ou les matériaux polymères sont utiles », a déclaré Gianneschi Nouvelles de conception. « Comprendre comment les réactions de polymérisation donnent naissance à la structure et à la fonction est essentiel pour faire progresser ces matériaux. »

Les nanoparticules ont un grand potentiel pour former des matériaux avec à la fois moins d’impact sur l’environnement, mais aussi avec des capacités sans précédent pour résoudre des problèmes, tels que fournir des médicaments ciblés à l’intérieur du corps humain, a-t-il déclaré.

« Nous visons à développer de nouveaux types de matériaux à base de polymères qui peuvent changer et modifier leurs structures au fil du temps en réponse à leur environnement, a déclaré Gianneschi. Nouvelles de conception. « Pour fabriquer de nouveaux matériaux comme celui-ci, nous avons besoin de nouvelles méthodes pour examiner ces structures à mesure qu’elles changent dans le temps. »

Créer de nouvelles solutions

Alors que les scientifiques travaillent déjà avec des nanoparticules et expérimentent leur application, ils ont eu des difficultés à augmenter la production. Une technique appelée auto-assemblage induit par polymérisation (PISA) a été utile, mais le comportement des molécules au cours de ce processus s’est avéré difficile à prévoir pour une raison simple : les scientifiques n’ont pas pu observer ce qui se passait réellement.

Pour résoudre ce problème, Gianneschi et son équipe ont utilisé la microscopie électronique à transmission (MET), qui est capable de prendre des images à une résolution inférieure au nanomètre. En règle générale, cependant, la MET ne gère pas bien les réactions chimiques et est principalement utilisée avec des échantillons congelés, nous a-t-il dit.

« Il s’agit d’une méthode à haute résolution, avec des capacités qui incluent le peering à l’intérieur des cellules vivantes ou l’examen de la structure des virus », a expliqué Gianneschi. « Mais, cela s’est largement limité à l’observation de structures statiques ou fixes. »

Cependant, les chercheurs ont trouvé un moyen de résoudre ce problème en utilisant une approche MET en phase liquide, ou «Laboratoire dans le MET», qui permet aux scientifiques d’observer les processus chimiques lorsqu’ils se produisent lorsque le résultat est un phénomène à l’échelle nanométrique ou microscopique », a déclaré Gianneschi. Nouvelles de conception.

« Nous insérons une ‘cuvette’ de solution dans le microscope au lieu d’une simple surface plane avec l’échantillon dessus », nous a-t-il expliqué, décrivant le processus. « Cela nous permet d’observer les matériaux qui se déplacent et qui sont entièrement solvatés. Cela ouvre la porte à littéralement regarder les nanomatériaux se former. Si vous pouvez voir comment quelque chose se forme, vous pouvez comprendre comment le changer, le modifier et l’optimiser.

Le chemin à parcourir

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Question.

En plus des produits pharmaceutiques, la méthode peut être utilisée pour aider à développer des matériaux avancés pour l’industrie cosmétique, entre autres, a déclaré Gianneschi. Il peut également être appliqué plus largement aux efforts de biologie structurelle et de science des matériaux, a-t-il déclaré.

Alors que les chercheurs ont développé des matériaux qui réagissent à la température comme un stimulus pour se former et changer au fil du temps, les prochaines étapes de l’équipe seront « d’introduire toute une gamme de stimuli chimiques et biologiques », a déclaré Gianneschi. Nouvelles de conception.

« Nous pensons que nous pouvons maintenant commencer à étudier les processus pertinents pour le comportement des capsules qui se rapprochent de plus en plus de ceux qui définissent les systèmes vivants », a-t-il déclaré.