26.03.2010

Des chercheurs fribourgeois percent le secret de l'élasticité du micro-gel

Les micro-gels se comportent comme des nano-éponges : capables de gonfler et de dégonfler, ils réagissent de manière élastique lors d’un contact. Un groupe de recherche, mené par le Prof. Frank Scheffold de l’Université de Fribourg, vient de découvrir le mécanisme qui se cache derrière ce processus. Les résultats de l’étude viennent d’être publiés dans le journal Physical Review Letters.

De l’huile de moteur à la mousse à raser, de l’industrie alimentaire aux couches de bébé : le champ d’application des molécules filiformes est immense. Ces polymères disposent de deux propriétés exceptionnelles : une capacité à gonfler extrêmement élevée (couches pour bébé) et une faculté à modifier les propriétés liquides (huiles de moteur, ketchup). Les particules de micro-gel réunissent bon nombre de ces caractéristiques présentant une stabilité de forme obtenue grâce à l’interconnexion chimique de chaînes polymères. Les micro-gels sont certes en mesure de gonfler de manière importante et d’absorber une grande quantité de liquide, mais ils maintiennent une forme sphérique. Des paramètres externes peuvent par ailleurs contrôler le gonflement : on obtient alors des propriétés «intelligentes» de matériaux qui peuvent être utilisées pour des capteurs, des mises en couches, des épaississeurs et la distribution contrôlée de médicaments dans le corps.

Le groupe de travail du Prof. Frank Scheffold, du Département de physique de l’Université de Fribourg, a analysé les propriétés d’une certaine classe de particules, les micro-gels PNIPAM. Ces particules ne mesurent que quelques centaines de nanomètres et appartiennent aux systèmes les mieux analysés au monde. Lors d’une baisse de température de quelques degrés déjà, le volume des particules augmente de dix fois. Si la concentration est suffisamment élevée au début, les particules commencent à se toucher et sont compressées les unes avec les autres : il en résulte alors une phase de gel solide. Contrairement aux autres systèmes thermosensibles, comme p.e. la gélatine de cuisine (un produit naturel), la fermeté ne dépend pas du temps d’attente. La solidification se produit immédiatement, elle est réversible et ainsi remarquablement contrôlable. Ce phénomène, en soi connu depuis longtemps, a déjà fait l’objet de nombreuses études scientifiques. Cependant le comportement exact des particules de micro-gel pressées les unes contre les autres ainsi que la fermeté du gel n’avaient pu jusqu’à ce jour être expliquées.

La solution à l’énigme

Le groupe du Prof. Scheffold a réussi à résoudre cette énigme : en se basant sur des expériences de dispersion au laser, les scientifiques fribourgeois ont démontré que les polymères ne sont pas distribués régulièrement dans les micro-gels et que la densité diminue vers l’extérieur. Ils en ont ainsi déduit que certains fils s’élèvent sans réseau vers l’extérieur, formant une «brosse de polymères» à la surface des nanoparticules (voir illustration ci-jointe). La compression de ces «brosses» définit la fermeté du matériau dans la phase-gel. En mesurant la fermeté sur une large échelle de températures, les chercheurs ont pu confirmer cette hypothèse. Ces nouvelles connaissances permettront à l’avenir de prévoir plus facilement les propriétés des matériaux de micro-gels ou de les influencer de manière ciblée à travers la synthèse chimique.

Légende de l’illustration : La compression des «brosses» définit la fermeté du matériau dans la phase-gel (image: Dr Jean-François Dechezelles, AMI)

Lien vers l’article : http://prl.aps.org/abstract/PRL/v104/i12/e128304
F. Scheffold, P. Diaz-Leyva, M. Reufer, N. Ben Braham, I. Lynch, and J.L. Harden,
Phys. Rev. Lett. 104, 128304 (2010)
http://arxiv.org/abs/0911.1553v1

Contact : Prof. Frank Scheffold, 026 300 91 17, frank.scheffold@unifr.ch
Source : Service Communication et Médias, 026 300 70 34, communication@unifr.ch