Les plastiques, dans l’ensemble, sont des matériaux bien compris. Moins résistants que la plupart des métaux, mais souvent beaucoup plus légers, ces polymères synthétiques ont trouvé d’innombrables applications qui ont révolutionné notre mode de vie. Les propriétés des plastiques ont été améliorées de nombreuses façons au fil des ans, les matériaux composites comme la fibre de verre et la fibre de carbone se révélant avoir une résistance et une légèreté bien au-delà des simples propriétés des polymères de base seuls.
Cependant, un groupe d’ingénieurs du MIT a travaillé sur un type révolutionnaire de polymère qui promet une plus grande résistance que jamais tout en restant remarquablement léger. Tout dépend de la structure moléculaire bidimensionnelle du matériau, quelque chose que l’on pensait autrefois être d’une difficulté prohibitive dans le monde de la science des polymères.
La 2D est meilleure que la 1D
En règle générale, les polymères s’assemblent en longues chaînes unidimensionnelles, où plusieurs copies de la même sous-unité moléculaire, ou monomère, se lient plusieurs fois en une chaîne dans ce que l’on appelle souvent une macromolécule. Ces longues molécules s’emmêlent entre elles et entre elles en vrac, constituant les matériaux polymères que nous connaissons et aimons.
Cependant, la manière dont les monomères s’enchaînent généralement ensemble a généralement empêché toute tentative de produire une structure polymère en deux dimensions. Si un seul monomère s’attache à un autre à la mauvaise rotation, d’autres monomères s’y lieront également, créant une structure 3D désordonnée au lieu d’une feuille 2D propre et bien rangée.
Avec une synthèse minutieuse, il s’avère qu’une structure polymère moléculaire bidimensionnelle est en effet possible. Selon le document de recherche publié dans Nature en février de cette année, cet exploit a été réalisé grâce à l’utilisation de molécules de mélamine comme unité monomère. La théorie de travail est que l’utilisation d’interactions amide-aromatique dans les étapes de synthèse a empêché les molécules de mélamine de tourner hors du plan pendant la phase de liaison.
Le matériau s’auto-assemble en feuilles 2D en solution, permettant la création de films minces d’une grande résistance. Cette structure a également la capacité unique d’être imperméable aux molécules de gaz. Les monomères se lient si étroitement qu’il n’y a tout simplement aucun moyen pour eux de passer à travers.
Le matériau résultant est remarquable dans ses propriétés; le polymère bidimensionnel a été testé pour avoir une limite d’élasticité étonnante de 976 MPa, près de quatre fois celle de l’acier de construction, malgré une densité bien inférieure de seulement 1/6ème. Pendant ce temps, les modules élastiques ont été mesurés à environ 30 à 90 GPa, nettement plus élevés que les plastiques traditionnels qui varient généralement de 3 à 5 GPa. Cela signifie que le matériau est beaucoup plus rigide et se déforme moins dans le régime élastique par rapport aux plastiques comme le polycarbonate et le nylon. Ce chiffre est bien plus proche de celui des métaux comme l’aluminium, qui a un module d’élasticité de 69 GPa.
Bien sûr, jusqu’à présent, seules de minuscules quantités de polymère 2D ont été créées en laboratoire. Les tests des propriétés mécaniques du matériau devaient être effectués à l’échelle nanométrique, à l’aide d’un processus appelé nanoindentation AFM. Il permet de tester des échantillons microscopiques à l’aide d’une pointe d’indentation dure sur un microscope à force atomique pour mesurer les propriétés du matériau.
De manière importante, le polymère tel que synthétisé est mécaniquement et chimiquement stable. Les auteurs de l’article suggèrent qu’il a un grand potentiel d’utilisation dans les matériaux composites ainsi que comme revêtement protecteur léger mais solide. On ne sait pas à ce stade comment un tel polymère pourrait être produit à grande échelle, et il faudra probablement un certain temps avant que ce matériau ne soit en vente en grandes feuilles chez votre distributeur de plastique local. Cependant, cela montre que le monde de la science a encore des secrets incroyables à découvrir qui pourraient nous apporter de nouveaux et merveilleux matériaux au-delà de nos rêves les plus fous !
