Une méthode verte pour produire des fibres supramoléculaires cristallines promet de rendre la production de polymères plus durable.
Un polymère qui catalyse sa propre formation dans un processus sans solvant respectueux de l’environnement a été mis au point par une équipe de chimistes entièrement composée de membres du réseau RIKEN. Cette découverte pourrait conduire au développement de matériaux polymères intrinsèquement recyclables, fabriqués selon un processus durable.
Les polymères sont omniprésents aujourd’hui, mais ils nuisent à l’environnement en raison de l’accumulation de déchets plastiques et de la nature non durable de la fabrication conventionnelle des polymères. Les polymères sont généralement fabriqués en reliant des chaînes de blocs de construction, appelés monomères, par des liaisons covalentes. Mais ces liaisons solides rendent difficile la dépolymérisation des articles en plastique usagés et en fin de vie afin de récupérer les monomères pour les réutiliser.
Figure 1 : Des molécules précurseurs cunéiformes (en haut à gauche) s’assemblent pour construire un polymère supramoléculaire en forme de bâtonnet composé de leurs monomères en forme de disque cyclotétramérisés par réduction, chaque nouvelle couche du polymère en croissance servant de modèle à la formation de la suivante (1 et 2 montrent la préorganisation des molécules précurseurs cunéiformes de phtalonitrile, et 3 montre la cyclotrimérisation par réduction pour donner un monomère phtalocyanine en forme de disque). Crédit : 2022 RIKEN Center for Emergent Matter Science.
Les polymères supramoléculaires, en revanche, sont constitués de réseaux de monomères maintenus ensemble par des interactions telles que les liaisons hydrogène, qui sont plus faibles, et donc plus réversibles, que les liaisons covalentes.
Cependant, les solvants utilisés pour la fabrication des polymères supramoléculaires limitent leur application et leur durabilité. “D’ici deux décennies, la fabrication chimique sans solvant pourrait être le seul procédé chimique autorisé, car les grands volumes de solvant utilisés dans les autres procédés de fabrication sont trop dommageables pour l’environnement”, explique Takuzo Aida du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente (CEMS).
L’équipe d’Aida a étudié des molécules cunéiformes appelées phtalonitriles. Avec neuf de ses collègues du CEMS, il a découvert que ces substances fondent lorsqu’elles sont chauffées et forment ensuite de multiples et fines fibres cristallines vertes, qui sont des polymères supramoléculaires en forme de tige.
Le processus de polymérisation est initié lorsque quatre des pièces cunéiformes s’assemblent pour former un disque plat et circulaire. L’assemblage en forme de disque – le monomère – peut alors servir de surface modèle pour les quatre molécules précurseurs cunéiformes suivantes qui se combinent, ajoutant une couche à la structure. Ce processus est répété, chaque nouvelle couche de polymère catalysant la formation de la suivante, jusqu’à ce que de longues structures en forme de tige se forment (figure 1). L’équipe a baptisé son procédé de polymérisation supramoléculaire autocatalytique sans solvant.
“Les propriétés mécaniques des fibres cristallines de ces polymères supramoléculaires sont analogues à celles des poly(méthacrylates d’alkyle)”, explique Aida. Ces polymères classiques sont utilisés pour toute une série d’applications, dont le plexiglas.
L’équipe pourrait créer des versions plus complexes de leurs polymères supramoléculaires en ajoutant d’autres molécules précurseurs dans le mélange à certains moments, formant ainsi des “copolymères à blocs” avec des bandes de monomères différents le long de chaque tige.
La polymérisation supramoléculaire autocatalytique sans solvant pourrait être utilisée pour fabriquer des polymères supramoléculaires à partir d’une gamme de matériaux de départ. “Elle pourrait être applicable à la synthèse d’hydrocarbures aromatiques polycycliques et de peptides cycliques”, précise Aida.
Référence : “Solvent-free autocatalytic supramolecular polymerization” par Zhen Chen, Yukinaga Suzuki, Ayumi Imayoshi, Xiaofan Ji, Kotagiri Venkata Rao, Yuki Omata, Daigo Miyajima, Emiko Sato, Atsuko Nihonyanagi et Takuzo Aida, 14 octobre 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01122-z
