Cette simulation graphique montre les particules de microgel (vertes) s’organisant dans le liquide, avec leurs nuages d’ions qui se chevauchent (rouges) à leur surface. Crédit : Urs Gasser
Des scientifiques du PSI et de l’Université de Barcelone sont parvenus à expliquer le comportement étrange des microgels. Leurs expériences avec des faisceaux de neutrons ont poussé les capacités de cette technique de mesure jusqu’à ses limites. Cette avancée présente un potentiel prometteur pour de nouvelles applications dans les domaines de la science des matériaux et de la recherche pharmaceutique.
Ils circulent dans nos artères, colorent nos murs ou donnent du goût au lait : de minuscules particules ou gouttelettes très finement réparties dans un solvant. Ensemble, ils forment un colloïde. Alors que la physique des colloïdes impliquant des particules dures – comme les pigments de couleur dans la peinture en émulsion – est bien comprise, les colloïdes impliquant des particules molles – comme l’hémoglobine, le pigment rouge du sang ou les gouttelettes de graisse dans le lait – réservent des surprises surprenantes.
Une expérience réalisée il y a 15 ans a montré que les particules molles constituées de polymères – appelées microgels – rétrécissent brusquement lorsque leur concentration dans un solvant dépasse un certain seuil. Lorsque cela se produit, les grosses particules se contractent jusqu’à atteindre la taille de leurs plus petites voisines. Étonnamment, cela se produit même lorsque les particules ne sont pas réellement en contact les unes avec les autres.
Les chercheurs étaient perplexes : comment une particule de gel peut-elle connaître la taille de son voisin sans le toucher ? Existe-t-il une sorte de « télépathie » entre les microgels ?
Hypothèse de 2016 confirmée
«Bien sûr que non», sourit Urs Gasser. Le physicien étudie depuis dix ans le rétrécissement miraculeux des microgels dans les colloïdes.
Avec une équipe de chercheurs, il a publié un article en 2016 expliquant le phénomène. En bref, dans cette situation, les particules de polymère sont constituées de longues chaînes carbonées. Ceux-ci portent une faible charge négative à une extrémité. Ces chaînes forment une boule, le microgel. Cela peut être considéré comme ressemblant à une pelote de laine, avec les propriétés d’une éponge.
Cet enchevêtrement tridimensionnel contient donc des charges ponctuelles négatives qui attirent les ions chargés positivement dans le liquide. Ces soi-disant contre-ions s’organisent autour des charges négatives de la boule, formant un nuage chargé positivement à la surface du microgel. Lorsque les microgels se rapprochent, leurs nuages de charges se chevauchent (voir image). Cela augmente à son tour la pression à l’intérieur du liquide, ce qui comprime les particules de microgel jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint.
À l’époque, cependant, l’équipe de recherche n’était pas en mesure de fournir une preuve expérimentale de l’existence d’un nuage de contre-ions. Avec son doctorat. étudiants Boyang Zhou et Alberto Fernández-Nieves de l’Université de Barcelone, Gasser a maintenant fourni cette preuve – et cela soutient de manière impressionnante l’hypothèse de 2016. Les résultats ont été publiés dans la revue Communications naturelles.
La source de neutrons SINQ est cruciale pour résoudre le puzzle
Cela a été possible grâce aux neutrons de la source de spallation SINQ du PSI – ainsi qu’à une astuce expérimentale. Parce que le nuage de contre-ions dans le colloïde est si raréfié qu’il n’est pas réellement visible sur l’image des neutrons diffusés. Les contre-ions ne représentent pas plus de 1 pour cent de la masse d’un microgel.
Gasser, Zhou et Fernandez-Nieves ont donc examiné deux échantillons : un colloïde dans lequel tous les contre-ions étaient des ions sodium et un autre dans lequel ils étaient des ions ammonium (NH4). Ces deux ions sont également présents naturellement dans les microgels et diffusent les neutrons différemment. La soustraction d’une image de l’autre laisse les signaux des contre-ions. Boyang Zhou : « Cette solution apparemment simple nécessite le plus grand soin dans la préparation des colloïdes afin de rendre visibles les nuages d’ions. Personne n’a jamais mesuré un nuage d’ions aussi raréfié auparavant.
Applications en cosmétique et pharmaceutique
Connaître le comportement des microgels mous dans les colloïdes signifie qu’ils peuvent être adaptés à de nombreuses applications différentes. Dans l’industrie pétrolière, ils sont pompés dans des réservoirs souterrains pour ajuster la viscosité du pétrole dans le puits et faciliter son extraction. En cosmétique, ils donnent aux crèmes la consistance souhaitée.
Des microgels intelligents sont également envisageables, qui pourraient contenir des médicaments. Les particules pourraient réagir à l’estomac acide, par exemple, et libère le médicament en rétrécissant. Ou bien un microgel pourrait se rétrécir en une petite boule de polymère densément tassée lorsque la température augmente, une boule qui réfléchit la lumière différemment que dans son état gonflé. Celui-ci pourrait être utilisé comme capteur de température dans des canaux de fluide étroits. D’autres capteurs pourraient être conçus pour répondre aux changements de pression ou de contamination. «Il n’y a pas de limites à l’imagination», déclare Urs Gasser.
