Ce nouveau matériau est un polymère bidimensionnel, à base de mélamine , qui s'auto-assemble en feuillets, contrairement à tous les autres polymères qui forment des chaînes unidimensionnelles semblables à des spaghettis. Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient qu'il était impossible d'amener les polymères à former des feuillets 2D.
Un tel matériau pourrait être utilisé comme revêtement léger et durable pour les pièces automobiles 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.
« On n'imagine généralement pas le plastique comme un matériau pouvant soutenir un bâtiment, mais ce matériau ouvre la voie à de nouvelles possibilités », explique-t-il. « Ses propriétés sont très inhabituelles et nous en sommes très enthousiastes. »
Les chercheurs ont déposé deux demandes de brevet pour le procédé de fabrication du matériau, qu'ils décrivent dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature . Yuwen Zeng, postdoctorant au MIT, est le premier auteur de l'étude.
Deux dimensions
Les polymères, qui comprennent tous les plastiques, sont constitués de chaînes de composants appelés monomères. Ces chaînes se développent par l'ajout de nouvelles molécules à leurs extrémités. Une fois formés, les polymères peuvent être façonnés en objets tridimensionnels, comme des bouteilles d'eau, par moulage par injection.
Les spécialistes des polymères émettent depuis longtemps l'hypothèse que si l'on pouvait faire croître les polymères en une feuille bidimensionnelle, ils formeraient des matériaux extrêmement résistants et légers. Cependant, des décennies de recherche dans ce domaine ont conclu à l'impossibilité de créer de telles feuilles. L'une des raisons était que si un seul monomère pivotait vers le haut ou vers le bas, hors du plan de la feuille en croissance, le matériau commencerait à se dilater en trois dimensions et la structure en feuille disparaîtrait.
Cependant, dans cette nouvelle étude, Strano et ses collègues ont mis au point un nouveau procédé de polymérisation leur permettant de générer une feuille bidimensionnelle appelée polyaramide. Pour les monomères, ils utilisent un composé appelé mélamine, composé d'un cycle d'atomes de carbone et d'azote. Dans des conditions appropriées, 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 confère à la structure une grande stabilité et une grande résistance.
« Au lieu de fabriquer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons créer un plan moléculaire en forme de feuille, où les molécules s'assemblent en deux dimensions », explique Strano. « Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après synthèse du matériau, nous pouvons facilement enrober par centrifugation des films minces d'une résistance extraordinaire. »
Comme le matériau s'auto-assemble en solution, il peut être fabriqué en grandes quantités en augmentant simplement la quantité de matières premières. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient recouvrir des surfaces de films de ce matériau, qu'ils appellent 2DPA-1.
« Grâce à cette avancée, nous disposons de molécules planes qui seront beaucoup plus faciles à façonner en un matériau très résistant, mais extrêmement fin », explique Strano.
Léger mais fort
Les chercheurs ont constaté que le module d'élasticité du nouveau matériau – qui mesure la force nécessaire à sa déformation – est quatre à six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Ils ont également constaté que sa limite d'élasticité, ou la force nécessaire à sa rupture, est deux fois supérieure à celle de l'acier, alors même que la densité de ce matériau est environ six fois inférieure à celle de l'acier.
Une autre caractéristique clé du 2DPA-1 est son imperméabilité aux gaz. Alors que d'autres polymères sont constitués de chaînes enroulées entrelacées qui laissent passer les gaz, le nouveau matériau est composé de monomères qui s'assemblent comme des LEGO, empêchant les molécules de s'immiscer entre eux.
« Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins empêchant totalement l'eau ou les gaz de pénétrer », explique Strano. « Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal des voitures et autres véhicules, ou les structures en acier. »
Strano et ses étudiants étudient désormais 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 centre de recherche sur les frontières énergétiques parrainé par le Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis et le laboratoire de recherche de l'armée.
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