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Aug 28, 2023

Les maillons faibles font des polymères forts

Étonnamment, un matériau comportant des liaisons plus facilement rompues est plus difficile à déchirer. Des chimistes du MIT et de l'Université Duke ont découvert une manière contre-intuitive de rendre les polymères plus résistants. Travailler avec

Étonnamment, un matériau comportant des liaisons plus facilement rompues est plus difficile à déchirer.

Des chimistes du MIT et de l'Université Duke ont découvert une manière contre-intuitive de rendre les polymères plus résistants.

En travaillant avec des élastomères polyacrylates, qui sont des réseaux polymères constitués de brins d'acrylate maintenus ensemble par des molécules de liaison, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient multiplier par dix la résistance des matériaux à la déchirure en utilisant un type de liaison plus faible pour relier une partie du polymère. blocs de construction.

Des polymères comme ceux-ci sont couramment utilisés dans les pièces automobiles et comme « encre » pour les objets imprimés en 3D. Les chercheurs explorent désormais les applications de cette approche à d’autres matériaux, comme le caoutchouc.

"Si l'on pouvait rendre un pneu en caoutchouc 10 fois plus résistant à la déchirure, cela pourrait avoir un impact considérable sur la durée de vie du pneu et sur la quantité de déchets microplastiques qui se détachent", explique Jeremiah Johnson, professeur de chimie au MIT et l'un des auteurs principaux de l'étude.

Un avantage significatif de cette approche est qu’elle ne semble pas modifier les autres propriétés physiques des polymères, telles que la résistance à la dégradation lorsqu’elle est chauffée.

« Les ingénieurs en polymères savent comment rendre les matériaux plus résistants, mais cela implique invariablement de modifier d'autres propriétés du matériau que l'on ne souhaite pas modifier. Ici, l’amélioration de la ténacité se produit sans aucun autre changement significatif dans les propriétés physiques – du moins que nous pouvons mesurer », explique Stephen Craig, professeur de chimie à l’Université Duke et autre auteur principal.

Le projet faisait suite à une étude de 2021 dans laquelle Craig, le professeur Michael Rubinstein de Duke et le professeur Bradley Olsen du MIT ont mesuré la résistance des réseaux de polymères en étoile, qui sont constitués de deux types d'éléments de base : une forme d'étoile à quatre bras et un lien qui se lie à l’extrémité de chaque bras, créant une structure en forme de filet. Comme prévu, lorsque des agents de liaison terminaux plus faibles étaient utilisés pour maintenir les brins de polymère ensemble, le matériau devenait plus faible.

Dans ces nouveaux travaux, les chercheurs ont étudié un type différent de réseau dans lequel les brins de polymère sont réticulés à d'autres brins à des endroits aléatoires au lieu d'être joints aux extrémités. Cette fois, l’utilisation de liants plus faibles a rendu le matériau beaucoup plus résistant à la déchirure.

Selon les chercheurs, la raison en est que les liaisons les plus faibles sont réparties de manière aléatoire sous forme de jonctions entre des brins par ailleurs solides dans tout le matériau. Lorsque ce matériau est étiré jusqu'au point de rupture, les fissures qui s'y propagent tentent d'éviter les liaisons les plus fortes et de traverser les liaisons les plus faibles. Cela signifie que la fissure doit briser plus de liaisons qu’elle ne le ferait si toutes les liaisons avaient la même force.

"Même si ces liens sont plus faibles, un plus grand nombre d'entre eux finissent par devoir être brisés, car la fissure traverse les liens les plus faibles, ce qui finit par être un chemin plus long", explique Johnson.

En fait, les polyacrylates qui incorporaient des agents de réticulation plus faibles étaient neuf à 10 fois plus difficiles à déchirer que les polyacrylates fabriqués avec des molécules de réticulation plus fortes, même lorsque les agents de réticulation faibles ne représentaient qu'environ 2 % du matériau.

"Il est assez rare que deux matériaux aient la même structure et les mêmes propriétés au niveau du réseau, mais présentent une différence de déchirure de presque un ordre de grandeur", explique Johnson.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre/octobre 2023.

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