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Un caoutchouc est un matériau mou, capable de subir des déformations de 100 à 500% et de revenir à sa forme initiale sans déformation rémanente notable. Cette propriété est par essence réservée aux réseaux macromoléculaires qui sont constitués de longues molécules (chaînes macromoléculaires) reliées solidement entre elles par des liaisons fortes. Un tuyau en caoutchouc peut ainsi être considéré comme une seule très grande molécule.

On peut imaginer que des molécules capables de s'associer par des liaisons hydrogènes, c'est-à-dire des liaisons faibles, soient en mesure de former un réseau (réseau supramoléculaire). Cependant, les travaux antérieurs dans ce domaine montrent que les réseaux supramoléculaires formés de petites molécules sont des matériaux vitreux ou semi-cristallins ne supportant pas de grandes déformations. De plus, pour former un réseau, il est nécessaire de disposer de molécules ditopiques, capables de s'associer à deux autres molécules, et tritopiques, capables de s'associer à trois autres molécules. Réaliser la synthèse de telles molécules, assurer dans un deuxième temps la compatibilité du mélange et éviter sa démixtion (1) est en général un véritable tour de force.

Les chercheurs du laboratoire Matière molle et chimie (CNRS/ESPCI) ont utilisé un mélange de petites molécules d'acides gras di et trifonctionnelles portant une variété de groupements hétéroatomiques (amide, urée, N-carbamyl, imidazolidone), tous susceptibles de s'associer les uns aux autres par des liaisons hydrogène. Ils ont préféré ce mélange à une molécule unique qui aurait davantage tendance à former un arrangement cristallin. Et ont relevé le défi ! A température ambiante, le matériau créé se comporte comme un caoutchouc. A température plus élevée (130-150°C) le matériau est capable de s'écouler et il peut être mis ou remis en forme.

Il est important de souligner la simplicité des moyens mis en jeu. Il était primordial pour les chercheurs que le matériau puisse être produit et ils s'étaient imposés comme contrainte la disponibilité des matières premières. Leur approche originale utilise des mélanges d'acides gras disponibles en large quantité et variétés. De plus il s'agit de produits d'origine végétale (pin, tournesol, maïs, colza) essentiellement non toxiques et renouvelables.

L'équipe de Ludwik Leibler a également constaté que ce design à partir de petites molécules conférait au matériau une propriété tout à fait inhabituelle : la possibilité de se réparer spontanément. Bien que ces caoutchoucs supramoléculaires ne soient pas adhésifs, les scientifiques ont constaté que, après coupure, les surfaces se recollent si on les remet en contact, sans qu'il soit nécessaire de chauffer ou d'appliquer une forte pression. Une fois réparé, l'échantillon est de nouveau capable de tolérer des déformations considérables (de 100 à 400%) avant de se rompre de nouveau. Le processus peut être répété plusieurs fois et, de façon encore plus étonnante, la réparation peut s'effectuer plusieurs heures après l'endommagement.

Les applications possibles peuvent toucher des domaines variés depuis le bâtiment jusqu'aux hautes technologies.

Cette recherche a été effectuée dans le cadre d'une collaboration étroite avec la société de chimie Arkema qui développe actuellement des produits et matériaux basés sur cette chimie en vue d'une production industrielle.

Des vidéos seront disponibles sur le site de Nature mercredi 20 février 2008 à partir de 19h :

 www.nature.com/nature

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© Laboratoire Matière molle et chimie (CNRS-ESPCI)

Démonstration des propriétés auto-cicatrisantes du caoutchouc en 4 étapes : coupure, mise en contact, cicatrisation, test d'étirement. (Ce visuel est disponible auprès de la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr).