Les réseaux covalents adaptatifs (CAN) suscitent un vif intérêt, explique Lise Vermeersch, doctorante et première auteure. « Ces matériaux ont la capacité de s’auto-réparer sous l’effet de la chaleur, de la lumière ou de l’énergie mécanique, une propriété remarquable. »

Cette capacité d’auto-guérison prolonge la durée de vie des matériaux et ouvre la voie à un second avantage. « Grâce aux réactions réversibles, ces matériaux sont extrêmement flexibles : ils se recyclent aisément et peuvent être combinés en composites, ce qui les rend particulièrement polyvalents. »

« Il s›agit toutefois d›applications haut de gamme, car cette technologie est coûteuse. Vous ne verrez donc pas de chaussures auto-réparatrices, mais peut-être des panneaux solaires auto-réparateurs destinés à l›espace, où les réparations sont quasi impossibles. » De plus, ces matériaux pourraient être intéressants pour les thermodurcissables ou les pales d›éoliennes, des substances actuellement difficiles à recycler.

Combinaison

Pour aider d’autres chimistes, Vermeersch et ses collègues ont créé une base de données regroupant plus de cent réactions de Diels-Alder, qu’ils ont ensuite étudiées à l’aide de calculs en chimie quantique. « Nous voulions principalement combiner des données computationnelles et expérimentales », explique Vermeersch. « De nombreuses études expérimentales ont déjà fourni des données sur la cinétique des réactions et la synthèse de certains CAN. En revanche, les études computationnelles restent limitées en informations. C’est pourquoi nous avons entrepris de collecter des données sur les barrières réactionnelles et les énergies de réaction. »

Un point qui mérite une analyse approfondie concerne la stabilité des produits de réaction. « Nous travaillons actuellement sur des réactions entre le furane et le maléimide », explique la doctorante. « Nous avons constaté que les produits obtenus sont à peine stables. Cette instabilité relative suggère que la réversibilité des CAN en dépend, un élément que nous n’avions pas anticipé. Nous souhaitons explorer cette hypothèse afin de mieux consolider le lien entre les approches computationnelles et expérimentales. »

Transition vitreuse

Pour illustrer l’application concrète de leur base de données, les chercheurs ont mené une étude de cas. Ils se sont intéressés à des matériaux présentant une transition vitreuse élevée, mais vitrifiant à des températures relativement basses, ce qui ralentit les réactions d’auto-guérison. Or, pour être efficaces, ces réactions devraient idéalement se produire en quelques heures plutôt qu’en plusieurs mois. Les chercheurs ont donc analysé des combinaisons connues de diènes et de diènophiles, en évaluant leurs propriétés cinétiques et thermodynamiques. Leur conclusion : plusieurs paires prometteuses ont été identifiées, dont certaines d’origine biologique.

« Je pense que cette étude est utile aussi bien pour les chimistes computationnels qu›expérimentaux », déclare Vermeersch. « L›un de nos objectifs avec cette base de données est que les chimistes expérimentaux puissent s›y référer pour identifier les réactions à utiliser pour synthétiser de nouveaux CAN. Cependant, des études computationnelles seront également nécessaires pour identifier les bons agents de liaison. De plus, les chercheurs souhaitant approfondir la compréhension des propriétés de la réaction de Diels-Alder pourront utiliser nos données. »

Impact

Dans une perspective plus large, ce travail doit contribuer à la conception et à l’étude de systèmes plus complexes. « Nous travaillons également sur la dynamique moléculaire pour analyser de véritables réseaux polymères. Cela permet d’étudier la résistance à la traction, la température de transition vitreuse, etc. C’est une première étape vers un modèle multi-échelle capable de prédire les propriétés réelles des matériaux. »

Vermeersch souligne l’importance d’examiner l’impact environnemental et sociétal des matériaux qu’elle étudie. « Nous devons considérer l’ensemble du matériau et non seulement ses composants individuels : sera-t-il plus durable ? Ce questionnement est parfois absent des recherches fondamentales. Il est essentiel de faire des choix intelligents dès le début lorsque l’on étudie les matériaux et leurs propriétés. »