1. Actus & Agenda
  2. FR
  3. Actus
  4. Recherche

Observation directe de la désorption d'un fondu de longues chaînes polymères

Publié le 31 août 2020 Mis à jour le 1 septembre 2020

L’eau peut se présenter sous forme liquide, gazeuse ou solide. Le passage d’un état à l’autre se nomme transition de phase. Simone Napolitano est parvenu à accéder à la transition de phase adsorption-désorption de longues chaînes polymères. « Une avancée incroyable », selon un expert en physique des polymères. L’étude est publiée dans Nature Communication.

Dans notre vie quotidienne, il n’est pas rare de voir un même matériau dans différents états. Prenez le cas de l’eau : elle est liquide à température ambiante mais peut se transformer en glace lorsqu’elle est refroidie en dessous de 0° et elle devient du gaz lorsqu’elle est chauffée à plus de 100°. Les passages entre ces différents états de la matière sont appelés transitions de phase.

Les transitions de phase sont l'expression de l'organisation et des interactions des molécules et des atomes à l'intérieur des matériaux. Certaines transitions de phase, bien que prédites par la théorie, restent insaisissables et leur existence ne peut être vérifiée par des expériences, en raison des conditions difficiles dans lesquelles elles se produisent. C'est le cas de la transition adsorption / désorption des polymères.

L'union fait la force 

Les polymères sont de longues molécules constituées par la répétition - souvent plus de mille fois - de la même unité, appelée monomère. Cette structure particulière fait apparaître une série de propriétés intéressantes. Par exemple, une molécule de polymère peut adhérer fortement à une surface même si l’interaction entre un seul monomère et la surface est très faible: l’union fait la force. En fait, pour séparer toute la molécule de la surface, il faudrait éliminer un à un tous les monomères faiblement attachés, ce qui est très peu probable. Les chaînes polymères sont celles considérées comme adsorbées de manière irréversible, c'est-à-dire qu'une chaîne polymère est censée coller sur une surface, pendant une durée extrêmement longue, essentiellement pour toujours.

Les théoriciens ont proposé que l'état adsorbé est, au contraire, transitoire et, lorsqu'ils sont chauffés bien au-dessus de la température ambiante, les molécules de polymère devraient se désorber et quitter la surface. Ce serait la transition adsorption / désorption.

Jusqu'à présent, cependant, personne n'a pu vérifier ces idées, car les températures auxquelles cette transition de phase devrait se produire sont très élevées et le matériau se dégrade avant, finalement, de se désorber.

Mais Simone Napolitano (Service de Physique expérimentale thermique et de la Matière molle, ULB) et ses collaborateurs, Xavier Monnier et Daniele Cangialosi (du Donostia International Physics Center et du Centro de Física de Materiales of San Sebastián, Espagne) sont parvenus à accéder de manière expérimentale à la phase de transition adsorption/désorption.

Leurs recherches sont publiées dans Nature Communications.

Nouvelle technique pour chauffer sans dégrader

Combinant l'expertise de Cangialosi dans les transitions de phase et celle de Napolitano sur l'adsorption, l'équipe a utilisé une nouvelle technique appelée calorimétrie à balayage rapide, qui permet de mesurer la chaleur échangée par un matériau alors que la température varie très rapidement. La technique peut amener les molécules de polymère de la température ambiante à 400 ° C en une fraction de seconde, et dans ce court intervalle, le matériau n'a pas le temps de se dégrader.

En étudiant ce phénomène, Monnier et ses collaborateurs ont observé qu'une très infime quantité de chaleur est libérée des chaînes polymères lorsqu'elles se désorbent d'une surface, ce qui a permis de classer l'adsorption / désorption comme une transition de phase de premier ordre.

C'est similaire à ce qui arrive à la glace lorsque nous la mettons sur la table. A basse température, les molécules restent ensemble grâce à des interactions qui maintiennent le matériau à l'état solide. En chauffant au-dessus de 0 ° C les interactions commencent à s'estomper, ce qui correspond à un échange de chaleur. Il en va de même pour les chaînes polymères lorsqu'elles se désorbe.

Monnier et al ont pu observer la désorption en chauffant une fine couche de polymère, un résultat soigné qui n'était pas atteint auparavant. La calorimétrie rapide leur a permis de caractériser pleinement cette transition de phase insaisissable, c'est une avancée incroyable de l'état de l'art de la physique de la matière molle », a commenté Emmanouil Glynos (Fondation pour la Recherche et la Technologie-Hellas), expert en physique des polymères. 

En plus des progrès considérables de l'étude des transitions de phase, cette étude ouvre à de nouvelles méthodes pour adapter les propriétés des nanomatériaux en tant que revêtements intelligents, électronique flexible et plus encore. Les propriétés de ces systèmes innovants dépendent en effet du nombre de molécules adsorbées, et les auteurs prévoient qu'en maîtrisant adéquatement la transition adsorption / désorption, il sera possible de fabriquer des matériaux plus performants et plus durables.

Contact
Communication Recherche : com.recherche@ulb.ac.be