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Du micro au nano : comment les nanopolymères peuvent-ils révolutionner notre science des matériaux
Les composites nanopolymères (PNC) sont constitués de polymères ou de copolymères et de nanoparticules ou de charges dispersées dans une matrice polymère. Ces nanoparticules peuvent avoir une variété de formes (par exemple, des flocons, des fibres, des sphères), mais au moins une dimension doit être comprise entre 1 et 50 nanomètres. Ces PNC appartiennent aux systèmes multiphasiques (MPS, tels que les mélanges, les composites et les mousses) et représentent 95 % de la production mondiale de plastique. Ces systèmes nécessitent un mélange/renforcement contrôlé, une stabilisation de la dispersion résultante et une orientation de la phase dispersée, et les stratégies de renforcement pour tous les MPS, y compris les PNC, sont similaires.
La nanoscience des polymères fait référence à l’application de la nanoscience à l’étude et à l’application de matrices polymères-nanoparticules, où au moins une dimension de la nanoparticule est inférieure à 100 nanomètres. Le processus de transformation des microparticules en nanoparticules entraîne des modifications de leurs propriétés physiques et chimiques. L’un des principaux facteurs de ce changement est l’augmentation du rapport surface/volume et le changement de la taille des particules. À mesure que la taille des particules diminue, le rapport surface/volume augmente, ce qui fait que le comportement des atomes à la surface des particules devient plus dominant dans la réaction.
« La surface plus grande des nanopolymères permet des interactions plus fortes avec d’autres particules, ce qui à son tour améliore des propriétés telles que la résistance et la résistance à la chaleur. »
Par exemple, les nanosphères de silicium présentent une grande différence par rapport au silicium conventionnel ; leurs diamètres varient de 40 à 100 nanomètres et leur dureté se situe entre celle du saphir et du diamant. Les composites nanopolymères peuvent également être préparés par synthèse par infiltration continue (SIS) dans laquelle des nanomatériaux inorganiques se développent dans une matrice polymère via la diffusion de précurseurs en phase vapeur.
Nanofibres polymères bio-hybrides
De nombreuses applications technologiques de substances biologiques (par exemple des protéines, des virus ou des bactéries), telles que la chromatographie, l'informatique optoélectronique, les capteurs, la catalyse et l'administration de médicaments, nécessitent leur immobilisation. Des nanotubes de carbone, des particules d’or et des polymères synthétiques sont souvent utilisés à cette fin. L'immobilisation des substances biologiques est principalement réalisée par adsorption ou liaison chimique, en utilisant moins souvent ces substances comme invités dans la matrice hôte.
« Les polymères constituent une bonne plate-forme pour l'immobilisation de la biomasse en raison de la disponibilité d'une grande variété de macromolécules naturelles ou synthétiques et de technologies de traitement avancées. »
Préparation de nanotubes biohybrides
Les fibres polymères sont généralement produites à l'échelle technique par la technologie d'extrusion, où un polymère fondu ou une solution polymère est pompé à travers une filière cylindrique puis filé ou étiré par un dispositif de réception. Aujourd’hui, l’électrofilage reste la meilleure technologie de traitement des polymères pour réduire les diamètres à des centaines de nanomètres, voire à quelques nanomètres. En appliquant un champ électrique puissant, un jet de fluide est éjecté du haut de la gouttelette jusqu’à ce qu’une nanofibre solide soit formée.
Applications des nanotubes
Les nanotubes peuvent également être utilisés pour l’administration de médicaments, notamment dans le traitement du cancer. Leur rôle est de protéger le médicament de la destruction dans le sang, de contrôler la dynamique de libération du médicament et de fournir des capacités de transport vers des cibles spécifiques. De plus, les nanotubes avec des polymères réactifs peuvent également contrôler l’ouverture et la libération de l’embouchure du tube par modification chimique.
« Les fibres à noyau et coquille de nanotubes sont capables de capturer des matières biologiques sans affecter leur fonctionnalité, ce qui les rend potentiellement utiles dans les biocapteurs. »
Applications techniques des nanopolymères
Parmi les applications techniques, les composites nanopolymères jouent un rôle important dans l’industrie des pneus automobiles, car leurs propriétés supérieures contribuent à améliorer l’efficacité énergétique. De plus, les composites nano-polymères sont également utilisés dans des environnements à haute température en raison de leur excellente résistance à la chaleur.
Bien que les développements dans le domaine des nanopolymères soient rapides, ils sont encore confrontés à des limites. Par exemple, la libération de médicaments à partir de nanofibres n’a pas encore été contrôlée avec précision et se produit généralement par explosion. Et avec le développement des technologies futures, nous attendons naturellement davantage de possibilités.
Comment les propriétés des nanopolymères peuvent-elles être mieux exploitées pour résoudre les futurs défis de la science des matériaux ?
