Découverte : les chimistes révèlent le monde secret des éléments constitutifs des polymères

Patrick Lesggie

Des scientifiques ont développé CREATS, une nouvelle technique pour séquencer les polymères synthétiques, révolutionnant la compréhension de l’influence de l’arrangement des monomères sur les propriétés des matériaux et permettant la conception de polymères pour des applications spécifiques. Crédit:

Les polymères synthétiques, omniprésents dans la vie moderne, comprennent des matériaux tels que le nylon et les tissus en polyester, les ustensiles de cuisine antiadhésifs en Teflon et les adhésifs époxy. À l’échelle moléculaire, ces polymères se composent de longues chaînes de monomères, la complexité de ces chaînes améliorant la fonctionnalité de ces divers matériaux.

En particulier, les copolymères, qui se composent de différents types de monomères dans la même chaîne, permettent d’ajuster finement les propriétés du matériau, a déclaré Peng Chen, professeur de chimie à l’Université de Tisch (A&S). La séquence de monomères joue un rôle critique dans les propriétés d’un matériau, mais jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas de méthode pour séquencer les copolymères synthétiques.

CREATS : Une nouvelle technique de séquençage

Chen et ses collègues ont développé CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolution imaging), qui leur permet d’imager les réactions de catalyse de polymérisation à résolution monomère unique et, grâce à un signal fluorescent, de différencier les monomères les uns des autres. Ces deux étapes sont importantes pour découvrir la composition moléculaire d’un polymère synthétique.

Ils décrivent la technique et les premières découvertes qu’ils ont faites avec celle-ci dans une étude récente publiée dans la revue Nature Chemistry.

Granules de polymère plastique

Granules de polymère plastique.

Les co-auteurs principaux sont Rong Ye, Xiangcheng Sun et Xianwen Mao, tous anciens chercheurs postdoctoraux du groupe de Chen. Les co-auteurs sont les anciens chercheurs postdoctoraux du groupe de Chen Susil Baral et Chunming Liu, le chercheur postdoctoral actuel Felix Alfonso et Geoffrey Coates, professeur de chimie et de biologie chimique à l’Université de Tisch (A&S).

« Les polymères synthétiques sont constitués d’unités monomères liées ensemble comme un collier de perles », a déclaré Chen. Dans les polymères les plus simples, les monomères sont identiques, mais des propriétés plus complexes apparaissent lorsque les polymères contiennent des monomères de différents types – appelés copolymères. L’arrangement précis des monomères dans un copolymère joue un rôle important dans ses propriétés, telles que la rigidité ou la flexibilité.

Importance de la séquence des monomères

La séquence joue également un rôle dans les propriétés des polymères naturels, a déclaré Chen. Une protéine, par exemple, est composée de 20 monomères d’acides aminés disposés dans une séquence très spécifique.

« Dans un polymère naturel, la nature a le contrôle », a déclaré Chen. « Dans les polymères synthétiques, les humains font les arrangements, et les chimistes n’ont généralement pas ce contrôle précis. »

Le séquençage des copolymères est si difficile en grande partie en raison de l’hétérogénéité des polymères synthétiques, a déclaré Chen. Les chaînes individuelles diffèrent en longueur, composition et séquence, ce qui nécessite des méthodes de séquençage de polymères uniques capables de résoudre et d’identifier les monomères individuels.

Certains des méthodes modernes permettent aux scientifiques de contrôler l’arrangement des monomères dans une chaîne, a déclaré Chen, mais seulement pour de très courts polymères – 10 à 20 monomères de long.

L’avenir de la conception de polymères

En utilisant CREATS, les chercheurs peuvent déterminer la séquence d’un polymère au fur et à mesure de sa formation, un monomère à la fois, en imagerisant et en identifiant chaque monomère au fur et à mesure qu’il est ajouté au polymère. Pour rendre les monomères visibles, CREATS couple la réaction de polymérisation avec une autre réaction qui produit des signaux fluorescents.

« Chaque monomère qui pénètre dans le polymère émet un éclat de lumière », a déclaré Chen. « La lumière est induite par un laser, et l’éclat de lumière a une couleur. Dans notre cas, c’est soit vert, soit jaune. En voyant s’il est jaune ou vert, nous voyons quel monomère entre. »

Le laboratoire est déjà équipé pour mesurer les propriétés des polymères synthétiques. Maintenant qu’ils peuvent déterminer la séquence d’un polymère individuel, une prochaine étape consiste à combiner les deux expériences pour corréler structure et fonction, en fournissant finalement des principes directeurs pour la conception de polymères pour atteindre certaines propriétés.

« Si vous savez comment la séquence contrôle la propriété, vous pouvez vraiment penser à concevoir n’importe quelle séquence que vous souhaitez pour obtenir une certaine propriété », a déclaré Chen. « Cette connaissance peut probablement aider les gens à ajuster leurs matériaux pour une application souhaitée. »

Référence: « Séquençage optique de polymères synthétiques uniques » par Rong Ye, Xiangcheng Sun, Xianwen Mao, Felix S. Alfonso, Susil Baral, Chunming Liu, Geoffrey W. Coates et Peng Chen, 9 novembre 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01363-2

La recherche a été financée par le programme de chimie des polymères de l’Office de recherche de l’armée, une direction du Commandement du développement des capacités de combat de l’armée de laboratoire de recherche de l’armée américaine.