Les chercheurs du MIT ont développé un film polymère léger presque impénétrable aux molécules de gaz, ce qui laisse entrevoir la possibilité qu'il puisse être utilisé comme revêtement protecteur pour empêcher la corrosion des cellules solaires et autres infrastructures et pour ralentir le vieillissement des aliments et des médicaments emballés.
Le polymère, qui peut être appliqué sous forme d'un film de seulement quelques nanomètres d'épaisseur, repousse complètement l'azote et les autres gaz, dans la mesure où cela peut être détecté par les équipements de laboratoire, ont découvert les chercheurs. Ce degré d'imperméabilité n'a jamais été observé auparavant dans aucun polymère et rivalise avec l'imperméabilité des matériaux cristallins moléculairement fins tels que le graphène.
« Notre polymère est assez inhabituel. Il est évidemment produit à partir d'une réaction de polymérisation en phase solution, mais le produit se comporte comme le graphène, qui est imperméable aux gaz car c'est un cristal parfait. Cependant, lorsque vous examinez ce matériau, on ne le confondrait jamais avec un cristal parfait », explique Michael Strano, professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT.
Le film polymère, que les chercheurs décrivent dans Natureest fabriqué à l’aide d’un processus qui peut être étendu à de grandes quantités et appliqué sur des surfaces beaucoup plus facilement que le graphène.
Strano et Scott Bunch, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université de Boston, sont les auteurs principaux de la nouvelle étude. Les principaux auteurs de l'article sont Cody Ritt, ancien postdoctorant du MIT et aujourd'hui professeur adjoint à l'Université du Colorado à Boulder ; Michelle Quien, étudiante diplômée du MIT ; et Zitang Wei, chercheur scientifique au MIT.
Des bulles qui ne s'effondrent pas
Le laboratoire de Strano a signalé pour la première fois le nouveau matériau – un polymère bidimensionnel appelé polyaramide 2D qui s'auto-assemble en feuilles moléculaires à l'aide de liaisons hydrogène – en 2022. Pour créer de telles feuilles de polymère 2D, ce qui n'avait jamais été fait auparavant, les chercheurs ont utilisé un élément de base appelé mélamine, qui contient un anneau d'atomes de carbone et d'azote.
Dans de bonnes conditions, ces monomères peuvent se dilater dans deux dimensions, formant des disques de taille nanométrique. 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.
Ce polymère, que les chercheurs appellent 2DPA-1, est plus résistant que l'acier mais n'a qu'un sixième de sa densité.
Dans leur étude de 2022, les chercheurs se sont concentrés sur les tests de résistance du matériau, mais ils ont également réalisé des études préliminaires sur sa perméabilité aux gaz. Pour ces études, ils ont créé des « bulles » à partir des films et les ont remplis de gaz. Avec la plupart des polymères, tels que les plastiques, le gaz emprisonné à l’intérieur s’infiltre à travers le matériau, provoquant un dégonflement rapide de la bulle.
Cependant, les chercheurs ont découvert que les bulles constituées de 2DPA-1 ne se sont pas effondrées : en fait, les bulles qu’ils ont formées en 2021 sont toujours gonflées. « J'ai été assez surpris au début », dit Ritt. « Le comportement des bulles ne correspondait pas à ce que l'on attend d'un polymère perméable typique. Cela nous a obligé à repenser la manière d'étudier et de comprendre correctement le transport moléculaire à travers ce nouveau matériau. »
« Nous avons mis en place une série d'expériences minutieuses pour prouver d'abord que le matériau est moléculairement imperméable à l'azote », explique Strano.
« Cela pourrait être considéré comme un travail fastidieux. Nous devions créer des microbulles de polymère et les remplir d'un gaz pur comme l'azote, puis attendre. Nous avons dû vérifier à plusieurs reprises et pendant une période extrêmement longue qu'elles ne s'étaient pas effondrées, afin d'enregistrer la valeur d'imperméabilité record. »
Les polymères traditionnels laissent passer les gaz car ils sont constitués d’un enchevêtrement de molécules ressemblant à des spaghettis qui sont vaguement reliées entre elles. Cela laisse de minuscules espaces entre les brins. Les molécules de gaz peuvent s'infiltrer à travers ces interstices, c'est pourquoi les polymères ont toujours au moins un certain degré de perméabilité aux gaz.
Cependant, le nouveau polymère 2D est essentiellement imperméable en raison de la manière dont les couches de disques adhèrent les unes aux autres.
« Le fait qu'ils puissent être emballés à plat signifie qu'il n'y a pas de volume entre les disques bidimensionnels, ce qui est inhabituel. Avec d'autres polymères, il y a encore de l'espace entre les chaînes unidimensionnelles, donc la plupart des films polymères laissent passer au moins un peu de gaz », explique Strano.
Un revêtement protecteur
En plus de l’azote, les chercheurs ont également exposé le polymère à l’hélium, à l’argon, à l’oxygène, au méthane et à l’hexafluorure de soufre. Ils ont découvert que la perméabilité du 2DPA-1 à ces gaz était d'au moins 1/10 000e celle de tout autre polymère existant. Cela le rend presque aussi imperméable que le graphène, qui est totalement imperméable aux gaz en raison de sa structure cristalline sans défaut.
Les scientifiques ont travaillé sur le développement de revêtements de graphène comme barrière pour prévenir la corrosion des cellules solaires et autres appareils. Cependant, il est difficile d’augmenter la création de films de graphène, en grande partie parce qu’ils ne peuvent pas être simplement peints sur des surfaces.
« Nous ne pouvons fabriquer du graphène cristallin qu'en très petites parcelles », explique Strano. « Une petite parcelle de graphène est imperméable aux molécules, mais elle ne s'écaille pas. Les gens ont essayé de la peindre, mais le graphène ne colle pas à lui-même mais glisse lorsqu'il est cisaillé. Les feuilles de graphène qui se croisent sont considérées comme presque sans friction. »
D’un autre côté, le polymère 2DPA-1 adhère facilement en raison des fortes liaisons hydrogène entre les disques en couches. Dans cet article, les chercheurs ont montré qu’une couche de seulement 60 nanomètres d’épaisseur pouvait prolonger la durée de vie d’un cristal de pérovskite de plusieurs semaines. Les pérovskites sont des matériaux prometteurs en tant que cellules solaires bon marché et légères, mais elles ont tendance à se décomposer beaucoup plus rapidement que les panneaux solaires en silicium qui sont désormais largement utilisés.
Un revêtement de 60 nanomètres a prolongé la durée de vie de la pérovskite jusqu'à environ trois semaines, mais un revêtement plus épais offrirait une protection plus longue, selon les chercheurs. Les films pourraient également être appliqués à diverses autres structures.
« En utilisant un revêtement imperméable tel que celui-ci, vous pouvez protéger les infrastructures telles que les ponts, les bâtiments, les voies ferrées, essentiellement tout ce qui est exposé aux éléments à l'extérieur. Les véhicules automobiles, les avions et les navires océaniques pourraient également en bénéficier. Tout ce qui doit être protégé de la corrosion. La durée de conservation des aliments et des médicaments peut également être prolongée en utilisant de tels matériaux », explique Strano.
L'autre application présentée dans cet article est un résonateur à l'échelle nanométrique, essentiellement un petit tambour qui vibre à une fréquence particulière. Des résonateurs plus grands, d'une taille d'environ 1 millimètre ou moins, se trouvent dans les téléphones portables, où ils permettent au téléphone de capter les bandes de fréquences qu'il utilise pour transmettre et recevoir des signaux.
« Dans cet article, nous avons fabriqué le premier résonateur 2D en polymère, ce que vous pouvez réaliser avec notre matériau car il est imperméable et assez résistant, comme le graphène », explique Strano.
« À l'heure actuelle, les résonateurs de votre téléphone et d'autres appareils de communication sont grands, mais des efforts sont déployés pour les réduire grâce à la nanotechnologie. Les rendre inférieurs au micron serait révolutionnaire. Les téléphones portables et autres appareils pourraient être plus petits et réduire les dépenses d'énergie nécessaires au traitement du signal. «
Les résonateurs peuvent également être utilisés comme capteurs pour détecter de très petites molécules, notamment des molécules de gaz.
