La nouvelle substance est le résultat d'un exploit que l'on croyait impossible : la polymérisation d'un matériau en deux dimensions.
Grâce à un nouveau procédé de polymérisation, les ingénieurs chimistes du MIT ont créé un nouveau matériau plus résistant que l'acier et aussi léger que le plastique, qui peut être facilement fabriqué en grandes quantités.
Ce nouveau matériau est un polymère bidimensionnel qui s'auto-assemble en feuilles, contrairement à tous les autres polymères, qui forment des chaînes unidimensionnelles semblables à des spaghettis. Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient qu'il était impossible d'amener les polymères à former des feuilles en 2D.
Un tel matériau pourrait être utilisé comme revêtement léger et durable pour les pièces automobiles ou les téléphones portables, ou comme matériau de construction pour les ponts ou d'autres structures, explique Michael Strano, titulaire de la chaire Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
"Nous n'avons pas l'habitude de penser aux plastiques comme étant quelque chose que vous pourriez utiliser pour soutenir un bâtiment, mais avec ce matériau, vous pouvez permettre de nouvelles choses", dit-il. "Il a des propriétés très inhabituelles et nous sommes très enthousiastes à ce sujet".
Les chercheurs ont déposé deux brevets sur le processus qu'ils ont utilisé pour générer le matériau, qu'ils décrivent dans un article publié aujourd'hui dans Nature. Yuwen Zeng, post-doc du MIT, est l'auteur principal de l'étude.
Deux dimensions Les polymères, qui comprennent tous les plastiques, sont constitués de chaînes de blocs de construction appelés monomères. Ces chaînes se développent en ajoutant de nouvelles molécules à leurs extrémités. Une fois formés, les polymères peuvent être façonnés en objets tridimensionnels, comme des bouteilles d'eau, par moulage par injection.
Les scientifiques spécialisés dans les polymères ont longtemps émis l'hypothèse que si les polymères pouvaient être amenés à se développer en une feuille bidimensionnelle, ils pourraient former des matériaux extrêmement solides et légers. Cependant, plusieurs décennies de travaux dans ce domaine ont abouti à la conclusion qu'il était impossible de créer de telles feuilles. L'une des raisons en est que si un seul monomère tourne vers le haut ou vers le bas, hors du plan de la feuille en croissance, le matériau commence à se dilater en trois dimensions et la structure en feuille est perdue.
Toutefois, dans la nouvelle étude, Strano et ses collègues ont mis au point un nouveau processus de polymérisation qui leur permet de générer une feuille bidimensionnelle appelée polyamide. Pour les blocs de construction monomères, ils utilisent un composé appelé mélamine, qui contient un cycle d'atomes de carbone et d'azote. Dans les bonnes conditions, ces monomères peuvent croître en deux dimensions, formant des disques. Ces disques s'empilent les uns sur les autres, maintenus par des liaisons hydrogène entre les couches, ce qui rend la structure très stable et solide.
"Au lieu de fabriquer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons fabriquer un plan moléculaire en forme de feuille, où nous obtenons que les molécules s'accrochent ensemble en deux dimensions", explique Strano. "Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après avoir synthétisé le matériau, nous pouvons facilement déposer par centrifugation des films minces qui sont extraordinairement solides."
Comme le matériau s'auto-assemble en solution, il peut être fabriqué en grande quantité en augmentant simplement la quantité des matériaux de départ. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient revêtir des surfaces avec des films de ce matériau, qu'ils ont appelé 2DPA-1.
"Grâce à cette avancée, nous disposons de molécules planes qu'il sera beaucoup plus facile de façonner en un matériau très résistant, mais extrêmement fin", explique M. Strano.
Léger mais solide
Les chercheurs ont constaté que le module d'élasticité du nouveau matériau - qui mesure la force nécessaire pour déformer un matériau - est de quatre à six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Ils ont également constaté que sa limite d'élasticité, c'est-à-dire la force nécessaire pour briser le matériau, est deux fois supérieure à celle de l'acier, bien que le matériau n'ait qu'un sixième de la densité de l'acier.
Selon Matthew Tirrell, doyen de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'université de Chicago, la nouvelle technique "fait appel à une chimie très créative pour fabriquer ces polymères 2D collés".
"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 les barrières de diffusion", explique M. Tirrell, qui n'a pas participé à l'étude.
Une autre caractéristique clé du 2DPA-1 est qu'il est imperméable aux gaz. Alors que d'autres polymères sont constitués de chaînes enroulées dont les interstices permettent aux gaz de s'infiltrer, le nouveau matériau est composé de monomères qui se verrouillent les uns aux autres comme des LEGO, et les molécules ne peuvent pas passer entre eux.
"Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins capables d'empêcher complètement l'eau ou les gaz de passer", explique M. Strano. "Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal des voitures et autres véhicules, ou les structures en acier."
Strano et ses étudiants étudient maintenant plus en détail comment ce polymère particulier est capable de former des feuilles en 2D, et ils expérimentent la modification de sa composition moléculaire pour créer d'autres types de nouveaux matériaux.
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