Le polymère en deux dimensions

Les polymères sont des substances composées d'un grand nombre de molécules individuelles identiques liées entre elles et se répétant. Jusqu'à présent, lorsque les chimistes développaient et fabriquaient des polymères, ils le faisaient généralement sous la forme de longues chaînes unidimensionnelles. La fibre textile nylon en est un exemple. Il est en outre possible de relier des chaînes de polymères en trois dimensions pour former un réseau irrégulier, comme c'est le cas pour les résines synthétiques ou les silicones.

Ce qui est nouveau en revanche, c'est le développement de polymères dont les unités de répétition s'enchaînent en deux dimensions exactement. Les scientifiques en attendent des applications intéressantes. En effet, ils permettent de fabriquer des feuilles synthétiques d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre, à l'instar du graphène, un matériau dont tout le monde parle actuellement.

Cylindre avec des ailes

Les scientifiques spécialisés dans les matériaux du groupe de Dieter Schlüter, professeur à l'Institut des polymères, travaillent depuis quelques années au développement de tels polymères. Ce sont eux qui, il y a deux ans, ont produit pour la première fois un polymère plat synthétique. Il n'a toutefois pas été possible d'élucider clairement la structure de ce polymère par cristallographie aux rayons X. Aujourd'hui, ils ont réussi, en même temps qu'un groupe américain indépendant, à produire pour la première fois un autre polymère 2D dont la structure a pu être élucidée. Les chercheurs de l'ETH ont ainsi fourni la preuve directe qui manquait encore pour démontrer que les polymères synthétiques bidimensionnels existent réellement.

Dans le polymère 2D des scientifiques de l'ETH, le composant unique (le monomère) a la forme d'un cylindre de taille nanométrique avec trois ailes latérales. Pour obtenir des polymères plats, les chercheurs font cristalliser les monomères, ce qui leur permet de s'agencer en une structure réticulaire régulière. Lorsque les scientifiques exposent les cristaux à la lumière UV, les ailes des différentes unités monomères réagissent entre elles et forment une liaison chimique solide. Il en résulte un cristal en forme d'ardoise composé de différentes couches superposées. Si les chercheurs ajoutent un acide fort à ce cristal polymère, il gonfle et les différentes couches peuvent ainsi être séparées les unes des autres.

Complément pour le graphène

Il est encore trop tôt pour parler d'applications concrètes de leurs nouvelles nano-feuilles synthétiques, explique Max Kory, doctorant dans le groupe de Schlüter et premier auteur du travail. "Pour l'instant, nous sommes en train de déterminer ses propriétés", explique Kory. Mais le matériau est très fonctionnel. Il est par exemple intéressant de constater que le cristal peut réagir relativement facilement avec la lumière UV pour passer de la forme monomère à la forme polymère et inversement. Il serait ainsi envisageable, par exemple, d'irradier certaines régions du cristal avec de la lumière UV et d'en laisser d'autres non irradiées, comme pour la photocomposition. On pourrait ainsi obtenir des feuilles de polymère à structure libre. "En raison de ces propriétés supplémentaires, nous ne considérons pas notre matériau comme un substitut au graphène, mais comme un complément".

Jusqu'à présent, les chimistes sont parvenus à produire quelques grammes de ce matériau. En collaboration avec un partenaire industriel, ils prévoient de le produire à l'échelle du kilogramme et d'étudier en détail ses propriétés ainsi que ses applications potentielles.