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Un nouveau type de catalyseur
Pour la première fois, des chimistes ont conçu des catalyseurs activés par des contraintes mécaniques. Intégrés dans des revêtements auto-cicatrisants, ces catalyseurs peuvent initier des réactions de réparation lorsqu'ils sont rayés ou stressés. Les catalyseurs déclenchés mécaniquement pourraient également trouver des applications dans l'industrie pour améliorer les rendements des plastiques, des médicaments et d'autres substances.
Les catalyseurs activés mécaniquement ont été conçus par Rint Sijbesma , professeur de chimie à l'Université de technologie d'Eindhoven, aux Pays-Bas, et sont décrits aujourd'hui dans la revue Chimie de la nature . Certains catalyseurs existants peuvent être activés par des impulsions de chaleur ou de lumière, ce qui permet aux chimistes de mieux contrôler la progression des réactions chimiques. Mais les nouveaux catalyseurs sont le premier exemple de catalyseurs activés par des contraintes mécaniques.
Les catalyseurs de Sijbesma tirent parti d'une propriété des polymères que les chimistes connaissent depuis de nombreuses années. Lorsque les polymères sont exposés à une force suffisante, ils sont tendus et la contrainte provoque la rupture des liaisons chimiques. L'endroit où le lien se rompt, cependant, est difficile à contrôler. Sijbesma a conçu des polymères à base de carbone contenant deux catalyseurs pontés par un atome de métal. Dans cet état, les catalyseurs sont inactifs. La liaison carbone-métal est la plus faible du polymère, et sous contrainte, c'est elle qui se brise, laissant derrière elle des sites catalytiques actifs.
Le couplage entre l'énergie mécanique et la chimie reste moins bien développé que, disons, l'énergie photo, thermique ou électrique, dit Jeffrey Moore , professeur de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. En 2007, Moore a été le premier à démontrer une réaction conçue pour être initiée par des contraintes mécaniques. Mais cette réaction n'a pas impliqué de catalyseur et ne peut se produire qu'une seule fois. Une fois que le catalyseur de Sijbesma est activé, il peut provoquer des réactions encore et encore. Il est rare que de nouveaux concepts chimiques d'une nature aussi fondamentale soient découverts et démontrés, dit Moore.
Les chercheurs d'Eindhoven ont démontré l'activation mécanique de catalyseurs pour plusieurs réactions bien connues, dont une utilisée dans la synthèse de biocarburants, une utilisée pour fermer les anneaux de carbone lors de la production de produits pharmaceutiques et une autre utilisée pour ouvrir de tels anneaux pour fabriquer des plastiques durables.
Il s'agit d'une application intéressante des techniques mécano-chimiques, dit Robert Grubbs , professeur de chimie à Caltech et lauréat du prix Nobel de chimie en 2005, qui n'a pas participé aux travaux d'Eindhoven. En principe, il pourrait trouver des applications en catalyse, explique Grubbs. Plus les chimistes ont d'outils à leur disposition pour affiner la progression des réactions, plus la production chimique peut être efficace, déclare Alshakim Nelson, chimiste chez IBM. Centre de recherche d'Almaden . Cela nous donne un autre bouton à régler, dit-il.
Sijbesma dit que les premières utilisations des catalyseurs sont probablement dans les matériaux auto-cicatrisants et les capteurs de stress. La présence de beaucoup de stress dans un matériau indique qu'il est sur le point de tomber en panne, dit-il. Nos catalyseurs sensibles au stress peuvent réagir à ce signal en démarrant une réaction de polymérisation qui renforce le matériau précisément à l'endroit et au moment où il est nécessaire. Les revêtements auto-cicatrisants empêcheraient les voitures, les navires et les ponts de rouiller sans avoir besoin de réapplications fréquentes.
Bien que ce travail soit passionnant, il n'en est qu'à ses débuts, prévient Moore. Les catalyseurs ont été mis en évidence dans des solutions liquides, avec des impulsions ultrasonores fournissant la contrainte mécanique. Il existe encore un écart important entre l'activation par ultrasons en solution et le développement d'un matériau mécanosensible, explique Moore.