Nouveau matériau léger plus résistant que l'acier

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À l'aide d'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, et qui peut être facilement fabriqué en grande quantité.

Le nouveau matériau est un polymère bidimensionnel qui s'auto-assemble en feuilles, contrairement à tous les autres polymères, qui forment des chaînes unidimensionnelles en forme de spaghetti. Jusqu'à présent, les scientifiques croyaient qu'il était impossible d'induire des polymères pour former des feuilles 2D.

Un tel matériau pourrait être utilisé comme revêtement léger et durable pour les pièces de voiture ou les téléphones portables, ou comme matériau de construction pour les ponts ou d'autres structures, explique Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

"Nous ne pensons généralement pas que les plastiques soient 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 en sommes très excités."

Les chercheurs ont déposé deux brevets sur le processus qu'ils ont utilisé pour générer le matériau, qu'ils décrivent dans un article paru aujourd'hui dans Nature. Le post-doctorant du MIT Yuwen Zeng est l'auteur principal de l'étude.

Deux dimensions

Les polymères, qui incluent 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, tels que des bouteilles d'eau, en utilisant le moulage par injection.

Les scientifiques des polymères ont longtemps émis l'hypothèse que si les polymères pouvaient être amenés à se développer en une feuille bidimensionnelle, ils devraient former des matériaux extrêmement résistants et légers. Cependant, de nombreuses décennies de travail dans ce domaine ont conduit 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 commencera à se dilater en trois dimensions et la structure en forme de feuille sera perdue.

Cependant, dans la nouvelle étude, Strano et ses collègues ont proposé un nouveau procédé de polymérisation qui leur permet de générer une feuille bidimensionnelle appelée polyaramide. Pour les blocs de construction monomères, ils utilisent un composé appelé mélamine, qui contient un anneau d'atomes de carbone et d'azote. Dans de bonnes conditions, ces monomères peuvent croître en deux dimensions, formant des disques. Ces disques s'empilent les uns sur les autres, maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les couches, ce qui rend la structure très stable et solide.

"Au lieu de créer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons créer un plan moléculaire en forme de feuille, où 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 enduire par centrifugation des films minces extraordinairement résistants."

Parce que le matériau s'auto-assemble en solution, il peut être fabriqué en grande quantité en augmentant simplement la quantité de matières premières. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient revêtir des surfaces avec des films du matériau, qu'ils appellent 2DPA-1.

"Grâce à cette avancée, nous avons des molécules planes qui seront beaucoup plus faciles à façonner en un matériau très solide mais extrêmement fin", déclare Strano.

Léger mais fort

Les chercheurs ont découvert que le module d'élasticité du nouveau matériau - une mesure de la force nécessaire pour déformer un matériau - est entre quatre et six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Ils ont également découvert que sa limite d'élasticité, ou la force nécessaire pour casser le matériau, est le double de celle de l'acier, même si le matériau n'a qu'environ un sixième de la densité de l'acier.

Matthew Tirrell, doyen de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, déclare que la nouvelle technique "incarne une chimie très créative pour fabriquer ces polymères 2D liés".

"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 de barrière de diffusion", explique 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 fabriqués à partir de chaînes enroulées avec des espaces qui permettent aux gaz de s'infiltrer, le nouveau matériau est fabriqué à partir de monomères qui se verrouillent comme des LEGO, et les molécules ne peuvent pas s'interposer.

"Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins capables d'empêcher complètement l'eau ou les gaz de passer à travers", explique Strano. "Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal des voitures et autres véhicules, ou des structures en acier."

Strano et ses étudiants étudient maintenant plus en détail comment ce polymère particulier est capable de former des feuilles 2D, et ils expérimentent la modification de sa composition moléculaire pour créer d'autres types de nouveaux matériaux.

La recherche a été financée par le Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un Energy Frontier Research Center parrainé par le US Department of Energy Office of Science et le Army Research Laboratory.

Le journaliste de Popular Science, Shi En Kim, explique comment les scientifiques du MIT ont créé un nouveau matériau plastique avec la résistance de l'acier. "Cette substance pourrait être utilisée comme revêtement protecteur pour les surfaces métalliques, comme la finition des voitures, ou comme filtre pour purifier l'eau", écrit Kim.

La journaliste de Boston.com Marta Hill met en lumière comment les scientifiques du MIT ont utilisé une nouvelle technique de polymérisation pour créer un matériau qui sert à la fois de revêtement durable et d'élément structurel solide. "Nous avons maintenant une toute nouvelle façon de fabriquer des matériaux sous forme de polymères bidimensionnels, [ce qui] signifie que nous allons obtenir de nouvelles propriétés", déclare le professeur Michael Strano. "Ce matériau que nous avons fabriqué se trouve être assez exceptionnel. Il est très solide et très léger. C'est inhabituel pour un polymère."

Les scientifiques du MIT ont créé un nouveau matériau solide mais léger qui pourrait être produit en masse et utilisé comme revêtement pour les voitures, les téléphones ou même comme matériau de construction pour les ponts, rapporte CBS Boston. "Nous ne pensons généralement pas que les plastiques soient quelque chose que vous pourriez utiliser pour soutenir un bâtiment, mais avec ce matériau, vous pouvez permettre de nouvelles choses", déclare le professeur Michael Strano.

Le journaliste de Fast Company, Mark Wilson, écrit que les chercheurs du MIT ont développé un nouveau type de matériau qui est deux fois plus résistant que l'acier avec seulement un sixième du volume du matériau. "Le matériau a des implications pour tout, de la façon dont nous construisons les gadgets que nous tenons entre nos mains aux bâtiments dans lesquels nous vivons", écrit Wilson.

WHDH met en lumière les scientifiques du MIT qui ont créé un nouveau matériau aussi solide que l'acier et aussi léger que le plastique. "Il y a de l'excitation parce que cela peut ouvrir de toutes nouvelles classes de matériaux qui sont forts de nouvelles manières", déclare le professeur Michael Strano.

Des chercheurs du MIT ont développé un nouveau matériau aussi solide qu'un acier mais aussi léger que du plastique, rapporte Michelle Shen pour USA Today. "Il peut être facilement fabriqué en grande quantité, et les cas d'utilisation vont des revêtements légers pour les voitures et les téléphones aux blocs de construction pour les structures massives telles que les ponts", écrit Shen.

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