Ajuster de manière ciblée la répartition des longueurs de cha?ne des polymères

Il est difficile d'imaginer notre quotidien sans matériaux en polymères synthétiques. Vêtements, pièces automobiles, ordinateurs ou emballages - ils sont tous composés de matériaux polymères. Dans la nature également, on trouve un certain nombre de polymères, comme l'ADN ou les protéines.

L'architecture des polymères est universelle : ils sont composés d'éléments de base appelés monomères. Lors de la synthèse des polymères, les monomères sont reliés entre eux pour former de longues cha?nes. Pour s'en faire une idée simple, il suffit d'aligner des perles de verre sur une ficelle pour créer des cha?nes de différentes longueurs (et de différents poids).

Processus de polymérisation avec des limites

Un procédé industriel important pour produire des polymères est la polymérisation radicalaire (en anglais Free Radical Polymerisation, FRP). L'industrie chimique produit ainsi chaque année 200 millions de tonnes de polymères de toutes sortes, comme le polyacrylique, le chlorure de polyvinyle (PVC) ou le polystyrène.

Bien que cette méthode de fabrication présente de nombreux avantages, elle a aussi ses limites. Lors de la polymérisation radicalaire, il se forme de manière incontr?lable un mélange composé d'innombrables espèces de polymères de différentes longueurs, c'est-à-dire présentant une grande dispersité. La dispersité est une mesure de l'uniformité ou de la non-uniformité de la longueur des cha?nes de polymères dans un matériau. La dispersité détermine également les propriétés du matériau.

Les matériaux polymères de tous les jours nécessitent des polymères à la fois hautement et faiblement dispersés. En fait, pour de nombreuses applications de haute technologie, comme les produits pharmaceutiques ou l'impression 3D, une haute dispersibilité peut même être un avantage.

Des polymères aux propriétés nouvelles

Si les chimistes souhaitent produire de manière ciblée des matériaux polymères aux propriétés bien précises, ils doivent en premier lieu pouvoir régler la dispersité comme ils le souhaitent. Ils peuvent ainsi produire une large gamme de matériaux polymères, soit avec des espèces de polymères uniformes, c'est-à-dire une faible dispersité, soit avec une forte dispersité et un grand nombre de polymères de différentes longueurs. Jusqu'à présent, cela n'était guère possible.

Or, un groupe de chercheurs dirigé par Athina Anastasaki, professeure en matériaux polymères au Département de science des matériaux, a développé une méthode de polymérisation radicalaire qui permet de contr?ler systématiquement et complètement la dispersité des matériaux polymères. Les résultats de la recherche viennent d'être publiés dans la revue spécialisée "Chem".

Pour pouvoir au moins contr?ler quelque peu la polymérisation radicalaire, les chimistes ont utilisé un seul catalyseur. Celui-ci veille à ce que les cha?nes de polymères qui se forment soient uniformément longues. Mais cela n'a pas permis de contr?ler la dispersibilité globale comme on le souhaitait.

Utiliser deux catalyseurs

Pour la première fois, les chercheurs de l'ETH ont utilisé simultanément deux catalyseurs aux effets différents - l'un est très actif, l'autre peu. En jouant sur les proportions des deux catalyseurs, ils sont parvenus à régler précisément la dispersité. S'il était en faveur du plus actif, on obtenait plus de polymères uniformes et donc un matériau de faible dispersibilité. En revanche, si le catalyseur le moins actif était majoritaire, une multitude de molécules de polymères différentes étaient créées.

Anastasaki et ses collaborateurs ont ainsi créé une base pour le développement de nouveaux matériaux à base de polymères. Le processus est en outre évolutif, il ne fonctionne pas seulement en laboratoire, mais peut également être appliqué à de plus grandes quantités de substances. Autre avantage de cette méthode : même les polymères à haute dispersion peuvent continuer à cro?tre après la polymérisation, ce qui était considéré jusqu'à présent comme impossible.

La grande efficacité et l'évolutivité de l'approche ont déjà suscité l'intérêt de l'industrie. Les polymères produits par ce nouveau procédé pourraient être utilisés en médecine, dans les vaccins, les cosmétiques ou l'impression 3D.