Des chimistes ont démontré qu’ils pouvaient doubler la résistance de polymères courants, notamment le polystyrène et un type de caoutchouc utilisé pour fabriquer des semelles de chaussures. Crédits: MIT News ; iStock

Dans une nouvelle étude du MIT – en partenariat avec les universités Purdue, Northwestern et Duke – des chimistes ont découvert que l’insertion de liaisons plus faibles dans le polystyrène rend en fait le matériau plus résistant aux dommages.

Les liaisons les plus faibles sont dispersées dans tout le matériau sous forme de ponts appelés mécanophores, et lors d’un impact soudain, ces mécanophores se rompent sélectivement au point d’impact, absorbant ainsi plus efficacement l’énergie de l’impact.

Les mécanophores sont des composés sensibles à la force qui subissent des réactions chimiques sous l’effet de stimuli mécaniques. La conception et la découverte de mécanophores efficaces et thermiquement stables sont essentielles au développement de matériaux auto-renforçables.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont démontré que lorsqu’un polystyrène réticulé est percuté par une particule à grande vitesse, la température au point d’impact augmente suffisamment pour former une zone adaptable qui se rompt, laissant la zone environnante intacte. De ce fait, le polystyrène réticulé absorbe beaucoup plus d’énergie que le polystyrène classique.

« Ces agents de réticulation peuvent augmenter considérablement la quantité d’énergie absorbée par le matériau lors d’un impact balistique. On peut imaginer de nombreuses applications, surtout si ce principe pouvait être généralisé à d’autres polymères », explique le professeur Jeremiah Johnson du MIT. « Il s’avère que le mécanophore entraîne une augmentation substantielle de la dissipation d’énergie par rapport au polystyrène non réticulé et au polystyrène réticulé de manière conventionnelle. »

Cette étude s’appuie sur une étude de 2023 réalisée par Johnson et ses collègues du MIT et de l’Université Duke, qui a démontré que les polymères pouvaient être renforcés en répartissant des liaisons croisées faibles dans les matériaux polymères qui se rompent dans des conditions de déchirure lente, de manière à préserver les liaisons plus fortes qui supportent la charge pour dissiper davantage d’énergie.

« Lorsqu’une fissure commence à se propager dans le matériau, ces mécanophores se divisent en deux, ce qui contribue à dissiper l’énergie et à rediriger la trajectoire de la fissure. Cela signifie qu’il faut fournir plus d’énergie pour déchirer le matériau », explique Johnson.

Dans ce cas précis, l’équipe a mis au point une méthode permettant d’intégrer directement les mécanophores sous forme de liaisons transversales dans des polymères courants. Elle a utilisé une invention du professeur Keith Nelson du MIT pour étudier la réaction des polymères aux impacts grâce à des tests d’impact microplastique induits par laser (LIPIT).

L’équipe du MIT a testé la résistance aux chocs de ses nouveaux polymères en leur tirant dessus de minuscules projectiles : à l’extrême gauche, un film de polystyrène traditionnel ; au centre et à droite, deux versions de polystyrène fabriquées avec des agents de réticulation faibles. MIT

De minuscules billes de silice d’environ 10 microns de diamètre sont projetées sur le polymère à environ 750 mètres par seconde (plus de 1 600 miles par heure), la quantité d’énergie absorbée étant mesurée en calculant le changement de vitesse des particules avant et après le passage des billes.

« Nous avons initialement mis au point cette méthode pour étudier l’impact et la pénétration de microparticules dans des échantillons de polymères massifs. Nous suivions la propagation des particules à travers environ 100 microns de matériau et analysions, après impact, les modifications de la morphologie du polymère », explique Nelson. « Nos nouvelles mesures montrent la quantité d’informations supplémentaires que l’on peut extraire des vitesses des particules avant et après leur pénétration dans une fine couche. Elles révèlent également des schémas de déformation très instructifs, tant pendant l’impact des particules qu’après. »

Grâce à cette technique de réticulation, les chercheurs parviennent à renforcer le caoutchouc styrène-butadiène-styrène, utilisé dans les semelles de chaussures, ainsi que l’asphalte et les matériaux de toiture, avec les mêmes résultats. Ils étudient également la possibilité d’appliquer cette technologie à d’autres types de polymères, comme le caoutchouc utilisé dans la fabrication des pneumatiques.

« Les matériaux dotés de mécanophores absorbant l’énergie pourraient un jour contribuer à prévenir l’éclatement des pneus sur l’autoroute ou à fournir des boîtiers plus protecteurs pour les appareils électroniques personnels », explique Katharine Covert, directrice de programme des Centres d’innovation chimique de la Fondation nationale américaine pour la science (NSF), qui a investi dans les recherches de l’équipe. « Ces travaux démontrent à quel point il est possible de générer rapidement de nouvelles connaissances précieuses en réunissant des chercheurs aux expertises variées. »

Un article sur cette étude a récemment été publié dans la revue Nature .

https://news.mit.edu/2026/mit-chemists-design-impact-resistant-plastics-0603