Les chercheurs créent une nouvelle classe de matériaux appelés « gels vitreux »

Les chercheurs ont créé une nouvelle classe de matériaux appelés « gels vitreux » qui sont très durs et difficiles à briser même s'ils contiennent plus de 50 % de liquide. Associé au fait que les gels vitreux sont simples à produire, ce matériau est prometteur pour une variété d'applications.

Un article décrivant ce travail, intitulé « Glassy Gels Toughened by Solvent », paraît dans la revue Nature.

Les gels et les polymères vitreux sont des classes de matériaux historiquement considérés comme distincts les uns des autres. Les polymères vitreux sont durs, rigides et souvent cassants. Ils sont utilisés pour fabriquer des objets comme des bouteilles d'eau ou des fenêtres d'avion. Les gels, comme les lentilles de contact, contiennent du liquide et sont doux et extensibles.

“Nous avons créé une classe de matériaux que nous avons appelés gels vitreux, qui sont aussi durs que les polymères vitreux, mais qui, si vous appliquez suffisamment de force, peuvent s'étirer jusqu'à cinq fois leur longueur d'origine, plutôt que de se briser”, explique Michael. Dickey, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur Camille et Henry Dreyfus de génie chimique et biomoléculaire à la North Carolina State University. “De plus, une fois le matériau étiré, vous pouvez lui faire retrouver sa forme initiale en appliquant de la chaleur. De plus, la surface des gels vitreux est hautement adhésive, ce qui est inhabituel pour les matériaux durs.”

“Un élément clé qui distingue les gels vitreux est qu'ils sont constitués à plus de 50 % de liquides, ce qui en fait des conducteurs d'électricité plus efficaces que les plastiques courants présentant des caractéristiques physiques comparables”, explique Meixiang Wang, co-auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral. chercheur à NC State. “Compte tenu du nombre de propriétés uniques qu'ils possèdent, nous sommes optimistes que ces matériaux seront utiles.”

Les gels vitreux, comme leur nom l’indique, sont en fait un matériau qui combine certaines des propriétés les plus attrayantes des polymères vitreux et des gels. Pour les fabriquer, les chercheurs partent des précurseurs liquides des polymères vitreux et les mélangent à un liquide ionique. Ce liquide combiné est versé dans un moule et exposé à la lumière ultraviolette, qui « durcit » le matériau. Le moule est ensuite retiré, laissant derrière lui le gel vitreux.

“Le liquide ionique est un solvant, comme l'eau, mais il est entièrement composé d'ions”, explique Dickey. “Normalement, lorsque vous ajoutez un solvant à un polymère, le solvant sépare les chaînes du polymère, rendant le polymère doux et extensible. C'est pourquoi une lentille de contact humide est souple, et une lentille de contact sèche ne l'est pas. Dans les gels vitreux, le Le solvant écarte les chaînes moléculaires du polymère, ce qui lui permet d'être étirable comme un gel.

“Cependant, les ions contenus dans le solvant sont fortement attirés par le polymère, ce qui empêche les chaînes du polymère de bouger. L'incapacité des chaînes à bouger est ce qui le rend vitreux. Le résultat final est que le matériau est dur en raison des forces d'attraction, mais il est toujours capable de s'étirer en raison de l'espacement supplémentaire.

Les chercheurs ont découvert que les gels vitreux pouvaient être fabriqués avec une variété de polymères et de liquides ioniques différents, bien que toutes les classes de polymères ne puissent pas être utilisées pour créer des gels vitreux.

“Les polymères chargés ou polaires sont prometteurs pour les gels vitreux, car ils sont attirés par le liquide ionique”, explique Dickey.

Lors des tests, les chercheurs ont constaté que les gels vitreux ne s'évaporent pas et ne se dessèchent pas, même s'ils sont constitués de 50 à 60 % de liquide.

“La caractéristique la plus intrigante des gels vitreux est peut-être leur caractère adhésif”, explique Dickey. “Parce que même si nous comprenons ce qui les rend durs et extensibles, nous ne pouvons que spéculer sur ce qui les rend si collants.”

Les chercheurs pensent également que les gels vitreux sont prometteurs pour des applications pratiques car ils sont faciles à fabriquer.

“La création de gels vitreux est un processus simple qui peut être réalisé en le durcissant dans n'importe quel type de moule ou en l'imprimant en 3D”, explique Dickey. “La plupart des plastiques ayant des propriétés mécaniques similaires exigent que les fabricants créent un polymère comme matière première, puis le transportent vers une autre installation où le polymère est fondu et transformé en produit final.

“Nous sommes ravis de voir comment les gels vitreux peuvent être utilisés et sommes disposés à travailler avec des collaborateurs pour identifier les applications de ces matériaux.”

Le co-auteur principal de l'article est Xun Xiao de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. L'article a été co-écrit par Salma Siddika, titulaire d'un doctorat. étudiant à NC State; Mohammad Shamsi, ancien doctorant. étudiant à NC State; Ethan Frey, ancien étudiant de l'État de Caroline du Nord ; Brendan O'Connor, professeur de génie mécanique et aérospatial à NC State ; Wubin Bai, professeur de sciences physiques appliquées à l'UNC ; et Wen Qian, professeur agrégé de recherche en génie mécanique et des matériaux à l'Université du Nebraska-Lincoln.