Que peuvent faire les polymères intelligents: une panacée pour l'avenir

Livrer le médicament à «l'adresse exacte», pulvériser le panneau solaire sur le toit, résoudre le problème du manque d'eau fraîche et créer des implants dont les propriétés ne se distinguent pas de celles de l'original - tout cela sera fait avec des polymères intelligents. Les résultats et les perspectives de ce domaine sont rapportés par Dmitry Ivanov, chef du laboratoire de science des matériaux d'ingénierie de l'Université d'État de Moscou et du laboratoire de matériaux organiques et hybrides fonctionnels de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, et son personnel.

L'article original a été publié sur le site Web de la revue «For Science» de l'Institut de physique et de technologie de Moscou.

La révolution des polymères a commencé dans les années 40 du XX siècle, lorsque les gens ont pour la première fois abandonné les matériaux naturels et synthétisé ce qui n’était jamais dans la nature. Un exemple frappant est le polyamide (nylon) et le polyéthylène. Un matériau aussi artificiel que le polyéthylène s’est avéré unique par ses structures et ses propriétés mécaniques: la fibre de polyéthylène, par exemple, est plus résistante que l’acier. Les corrélations entre les structures des matériaux et leurs propriétés ont commencé à se faire jour dans l’ensemble de la science des matériaux, les scientifiques ont commencé à étudier spécifiquement ces corrélations pour créer de nouveaux matériaux fonctionnels - c’était la naissance de la science des polymères.

Bataille pour la spécialisation

Dans les années 60, on pensait que l'avenir était dans les polymères spécialisés. Ensuite, il a semblé que très bientôt on découvrirait des matériaux polymères, chacun parfaitement adapté à sa tâche, et que la production de grandes quantités de plastiques universels serait réduite.

Cette prédiction ne s'est pas réalisée, l'industrie des polymères spécialisés n'a pas grandi au fil des ans. Cela est dû au fait que toute la production industrielle actuelle, comme il y a un demi-siècle, est optimisée pour les polymères universels individuels et qu'il est très coûteux de la reconstruire. Pendant un demi-siècle, le principal effort des développeurs est resté pour apprendre à contrôler la structure macromoléculaire et les propriétés du polymère. Les plastiques universels d'aujourd'hui - tels que le polypropylène - ne sont pas du tout les matériaux qui ont été produits sous les mêmes noms il y a plusieurs décennies. En règle générale, ce sont des familles entières de copolymères ayant des propriétés différentes.

Mais aujourd'hui, ils reviennent aux polymères spécialisés - bien que, pour le moment, ils se retrouvent plus souvent dans les laboratoires universitaires que dans les magasins d'usine. Les technologies modernes permettent d’obtenir des polymères aux propriétés étonnantes et de résoudre d’incroyables problèmes, du dessalement à la distribution ciblée de médicaments. Dmitry Ivanov, directeur du laboratoire de science des matériaux d'ingénierie de l'Université d'État de Moscou et du laboratoire de matériaux organiques et hybrides fonctionnels de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, explique comment et pourquoi les polymères intelligents sont fabriqués.

Contrôle total

Les polymères intelligents ont la capacité de réagir fortement aux influences externes relativement faibles. Ils peuvent changer radicalement de forme ou d’état lorsqu’ils changent de température, d’humidité, d’acidité ou d’éclairage. Ces matériaux répondent même aux plus petites perturbations externes. Il est possible, par exemple, par rayonnement de modifier la conformation des chaînes de polymères, ce qui entraînera une restructuration globale de la structure du polymère. Les matériaux classiques - alliages, céramiques - sont constitués de briques assez simples: atomes, ions ou composés de plusieurs atomes. Par conséquent, pour eux, de telles réponses fortes à une petite perturbation externe sont pratiquement inaccessibles.

«Le domaine dans lequel nous opérons s'appelle« fluides complexes ». Ceci est un autre terme pour les matériaux intelligents. Dans chaque «brique» élémentaire constituée d'un tel matériau, le monomère peut contenir des dizaines, voire des centaines d'atomes. À partir de ces monomères, nous construisons une chaîne polymère. La complexité structurelle des monomères détermine la complexité des interactions entre eux. Du fait que le matériau est organisé sur une large gamme d'échelles (de l'Angström à des centaines de nanomètres), il offre une riche palette d'interactions possibles », déclare le directeur de la recherche du Centre national de la recherche scientifique, le responsable du Laboratoire d'ingénierie des matériaux de génie de l'Université d'État de Moscou et le Laboratoire des systèmes fonctionnels organiques et hybrides. Matériaux MIPT Dmitry Ivanov.

Maintenant, toute une direction est en train d’être développée concernant les microrobots basés sur un support souple (support souple est un autre nom pour ces matériaux). Sous l'influence des radiations, ils peuvent provoquer une déformation mécanique des micro-objets et les déplacer dans la bonne direction.

«Par exemple, un polymère se dissout dans l'eau à des températures inférieures à 31. Dès que la température dépasse 31 ° C, le polymère subit une transformation de phase, les chaînes de polymère perdent leur propriété de solubilité, leur affaissement s'installe, la matrice de polymère se contracte brusquement et l'objet commence à se déplacer. De tels objets à partir de nanoparticules (dans notre cas, ceux en or) sont appelés micro-ondes; agissant sur eux avec des impulsions laser infrarouges, nous les faisons nager dans la bonne direction. Un jour, la rapidité va jouer un rôle important dans la nanomédecine », explique Yegor Bersenev, employé du laboratoire.

Un autre exemple est la création de bulles multicouches et même nanométriques multicouches spéciales pour la délivrance de médicaments. En dirigeant le rayonnement d'une certaine longueur d'onde vers la bulle, une transition de phase peut être provoquée - la coque va s'ouvrir et le médicament qui était à l'intérieur de la bulle sera libéré à l'endroit du corps où il est nécessaire. Il est donc possible d'administrer des médicaments toxiques aux tumeurs cancéreuses: plus l'accouchement est précis, moins la dose nécessaire est nécessaire et plus les effets secondaires sont faibles.

Excès de sel

Les plastiques intelligents peuvent également être utilisés pour dessaler l'eau. «À Fiztekh, un projet international est actuellement mis en œuvre dans le cadre duquel nous essayons de créer des polymères synthétiques ayant une affinité sélective pour les cations de métaux alcalins. L'un des objectifs de ce projet est de créer une nouvelle génération de systèmes de dessalement », explique Yegor Bersenev. - Il est impossible d'éliminer chimiquement les ions sodium du milieu aqueux. Nos polymères sont des macromolécules assez simples qui incorporent des charges électrostatiques, appelées polyélectrolytes. "Ils se lient sélectivement aux cations de sodium dans l'eau, après quoi ils précipitent."

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