Un caoutchouc cassé ou fissuré qui peut s’auto-cicatriser par une simple remise en contact, un bitume ultra-résistant qui s’applique à 140°C au lieu de 180°C, des plastiques aux propriétés de résistance mécanique et chimique renforcées qui se moulent facilement, ou encore des colles thermo-fusibles d’origine végétale. Ces exemples variés ont un point commun : ils sont basés sur le concept de la chimie supra-moléculaire, une chimie prometteuse qui offre un grand potentiel d’améliorations pour des applications de la vie courante. Arkema, partenaire de cette recherche, est l’un des premiers industriels à proposer prochainement des produits issus de cette chimie.

Un article à paraître dans la revue Nature du 21 février, intitulé «Self healing and thermoreversible rubber from supramolecular assembly» rapporte la découverte d’un nouveau matériau élastomère qui présente la propriété unique d’être « auto-réparable » ou « auto-cicatrisant ». Ce matériau est issu des travaux de recherche menés au laboratoire « Matière Molle et Chimie », une unité mixte de recherche CNRS/l’ESPCI (Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles) dirigée par le professeur Ludwik Leibler, ancien collaborateur de Pierre Gilles de Gennes, Prix Nobel de Physique en 1991. Aujourd’hui Arkema, en tant que partenaire industriel clé de cette recherche, notamment grâce à son expertise dans les matériaux nanostructurés, entre dans une phase de développement commercial de plusieurs matériaux issus de cette recherche.

De la chimie moléculaire traditionnelle à la chimie supra-moléculaire

La chimie moléculaire «traditionnelle» s’attache depuis plus de deux siècles à transformer la matière en créant des liaisons permanentes reliant les atomes des molécules. La chimie des polymères, issue de cette chimie traditionnelle, s’est énormément développée le siècle dernier avec pour objectif l’obtention de grandes chaînes moléculaires, permettant de combiner des propriétés de solidité et de légèreté.

La chimie supra-moléculaire – domaine scientifique mis au devant de l’actualité il y a quelques années notamment grâce au prix Nobel de Chimie attribué en 1987 à Jean-Marie Lehn, Donald Cram et Charles Pedersen – consiste à construire des édifices complexes de molécules que l’on associe grâce à des liaisons non-permanentes ou « réversibles » ; ces édifices de molécules à structure « réversible » sont dits « supra-moléculaires ». Les mêmes principes d’association sont largement observés dans les systèmes biologiques (ADN par exemple). C’est précisément à l’application de ces concepts, dans le but de mettre au point des matériaux aux propriétés innovantes, que s’est intéressé depuis 2000 le laboratoire « Matière Molle et Chimie ». Celui-ci a mis au point ces dernières années différents matériaux supra-moléculaires à partir de molécules de nature différente (petites molécules issues d’huiles végétales, grandes chaînes moléculaires de polymères existants) et ce, grâce à l’établissement entre ces molécules de liaisons hydrogène qui présentent la particularité, contrairement aux liaisons chimiques habituelles, d’être « réversibles » avec la température.

La chimie supra-moléculaire : du concept aux applications dans la vie quotidienne

Cette nouvelle approche de la chimie des matériaux ouvre la voie à des innovations et des développements très variés.

Ainsi, un matériau peut être réalisé à partir de petites molécules issues d’huiles végétales, être mis en oeuvre à basse température, tout en ayant un comportement à l’état solide caractéristique de celui d’un polymère à grandes chaînes moléculaires, comme la résistance et la solidité. Autre exemple d’application : un polymère classique existant, modifié par l’intégration de ces liaisons temporaires pourra combiner une très bonne fluidité à la température de sa mise en œuvre, avec d’excellentes propriétés à l’état solide, identiques, voire meilleures à celles d’un polymère existant non-modifié. Ou encore, une application très prometteuse est d’ores et déjà envisageable dans les bitumes appliqués sur les routes à fort trafic : ces bitumes de spécialité sont modifiés avec des polymères qui les rendent plus résistants, mais au détriment de leur viscosité ; il faut alors les chauffer longtemps et à haute température (180°C) lors de leur préparation et de leur mise en oeuvre, ce qui est fortement consommateur d’énergie. En rajoutant au bitume un additif d’origine végétale issu de la chimie supra-moléculaire, on pourrait abaisser la température de chauffe d’application de ces bitumes à 140°C, améliorer leur résistance mécanique, ainsi que faciliter leur recyclage.

« Ces travaux sur la chimie supra-moléculaire montrent comment une collaboration entre la recherche fondamentale et une recherche industrielle plus appliquée peut conduire à une innovation majeure dans le domaine des matériaux. La chimie supra-moléculaire est un concept qui est désormais prêt pour entrer dans la réalité quotidienne. A terme, cette nouvelle approche apportera des bénéfices considérables à de nombreuses applications de la vie courante : on peut imaginer toutes sortes d’articles qui après avoir été cassés ou fissurés, pourraient être réutilisés grâce à « l’auto-cicatrisation », des polymères ou encore des formulations de vernis ou d’adhésifs d’origine végétale qui se mettront en œuvre à des températures de fusion relativement basses et qui permettront des économies d’énergies importantes » se félicite Christian Collette, Directeur R&D d’Arkema.

Arkema, partenaire de cette recherche, est l’un des premiers chimistes à développer des produits basés sur la technologie de la chimie supra-moléculaire en vue d’une production industrielle.

© photo : CNRS/l’ESPCI

Acteur de la chimie mondiale, Arkema regroupe 3 pôles d’activités cohérents et intégrés, les Produits Vinyliques, la Chimie Industrielle et les Produits de Performance. Présent dans plus de 40 pays avec 17 000 collaborateurs, Arkema réalise un chiffre d’affaires de 5,7 milliards d’euros. Avec ses 6 centres de recherche en France, aux États-Unis et au Japon, et des marques internationalement connues, Arkema occupe des positions de leader sur ses principaux marchés.