Créer des polymères de différentes longueurs

Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich développent une nouvelle méthode pour produire de manière contrôlée des polymères de différentes longueurs. Cela ouvre la voie à de nouvelles classes de plastiques qui pourraient être utilisées dans des applications auparavant impensables.
Représentation symbolique de la façon dont la dispersion d'un plastique peut être contrôlée en mélangeant deux catalyseurs (tubes de peinture). (Illustration : d'après Whitfield R et al, Chem, 2020)

Il est difficile d'imaginer notre vie quotidienne sans des matériaux faits de polymères synthétiques. Vêtements, pièces détachées de voitures, ordinateurs ou emballages - tous sont constitués de matériaux polymères. Dans la nature aussi, il existe un certain nombre de polymères, tels que l'ADN ou les protéines.

L'architecture des polymères est universelle : ils sont composés d'éléments de base appelés monomères. Dans la synthèse des polymères, les monomères sont liés pour former de longues chaînes. Imaginez enfiler des perles de verre sur un fil pour créer des chaînes de longueur (et de poids) différentes.

Des procédés de polymérisation limités

Un procédé industriel important pour la production de polymères est la polymérisation radicalaire. L'industrie chimique utilise ce procédé pour produire chaque année 200 millions de tonnes de polymères de différents types, tels que le polyacrylique, le chlorure de polyvinyle (PVC) ou le polystyrène.

Bien que cette méthode de production présente de nombreux avantages, elle a aussi ses limites. La polymérisation radicalaire produit de manière incontrôlée un mélange d'innombrables espèces de polymères de longueurs variables, c'est-à-dire un mélange à haut degré de dispersion. La dispersion est une mesure de l'uniformité ou de la non-uniformité de la longueur des chaînes de polymères dans un matériau. La dispersion détermine également dans une large mesure les propriétés du matériau.

Pour les matériaux polymères de tous les jours, il faut des polymères à haute et à basse dispersibilité. En fait, pour de nombreuses applications de haute technologie, telles que les produits pharmaceutiques ou l'impression 3D, une forte dispersion peut être bénéfique.

Des polymères aux propriétés nouvelles

Cependant, si les chimistes veulent produire des matériaux polymères aux propriétés très spécifiques, ils et elles doivent avant tout être capables d'ajuster la dispersibilité comme souhaité. Cela leur permet de produire une large gamme de matériaux polymères qui soit ont une espèce de polymère uniforme, c'est-à-dire une faible dispersion, soit sont fortement dispersés avec un grand nombre de polymères de différentes longueurs. Jusqu'à présent, cela n'a guère été possible.

Cependant, un groupe de chercheuses et chercheurs dirigé par Athina Anastasaki, professeur de matériaux polymères au Département de science des matériaux, a maintenant développé une méthode de polymérisation radicalaire qui permet de contrôler systématiquement et complètement la dispersion des matériaux polymères. Les résultats de la recherche viennent d'être publiés dans la revue Chem.

Par le passé. afin de pouvoir contrôler la polymérisation radicalaire au moins dans une certaine mesure, les chimistes n'utilisaient qu'un seul catalyseur. Cela garantit que les chaînes de polymères qui sont formées sont de longueur uniforme sans toutefois permettre de contrôler la dispersion globale comme on l'aurait souhaité.

Utiliser deux catalyseurs

Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich utilisent désormais simultanément deux catalyseurs d'effet différent - l'un est très actif, l'autre moins. En mélangeant les deux catalyseurs, ils et elles ont pu ajuster la dispersion avec précision. Si le catalyseur le plus actif était choisi, des polymères plus uniformes étaient produits, ce qui donnait un matériau de faible dispersion. Si, en revanche, le catalyseur le moins actif était majoritaire, un grand nombre de molécules polymères différentes se formaient.

Athina Anastasaki et son équipe ont ainsi créé une base pour le développement de nouveaux matériaux polymères. Le processus est également évolutif ; il fonctionne non seulement en laboratoire, mais peut également être appliqué à de plus grandes quantités de matériel. Un autre avantage de cette méthode est que même les polymères à haute dispersibilité peuvent continuer à croître après la polymérisation, ce qui était auparavant considéré comme impossible.

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

Références

Whitfield R, Parkatzidis K, Truong NP, Junkers T, Anastasaki A : Tailoring Polymer Dispersity by RAFT Polymerization : A Versatile Approach. Chem, Vol. 6, Issue 6, P 1340-1352, 11 juin 2020. doi : 10.1016/y.chempr.2020.04.020