Croissance de membranes polymères par liaisons hydrogène aux interfaces

Dans une publication dans ACS Macro Letters, des chercheurs du SIMM et de Gulliver à l’ESPCI Paris et du LOMA à L’université de Bordeaux ont exploré la croissance spontanée de membranes obtenues par auto-assemblage de chaînes de polymères à une interface eau-huile via des liaisons hydrogène.

L’un des polymères est solubilisé dans l’eau, l’autre se trouve dans l’huile et lorsque les chaînes se rencontrent à l’interface eau-huile, elles forment des liaisons hydrogène et donc une membrane interfaciale. Dans un article précédent, cette équipe avait montré que lorsque les deux phases eau et huile sont émulsifiées, cette membrane permet de stabiliser des émulsions de gouttelettes d’huile dans l’eau tables sur plusieurs semaines, voire des mois.

Dans cette nouvelle étude, ces chercheurs ont étudié la croissance de la membrane par spectrométrie pendant plusieurs semaines. Ils ont montré que son épaisseur croît lentement et de manière continue au cours du temps en suivant une loi de type diffusif. Le polymère se trouvant dans l’huile commence par s’assembler rapidement au polymère se trouvant dans l’eau pour former initialement une membrane très fine, de quelques nanomètres d’épaisseur. Par la suite, ce qui permet à la membrane d’atteindre des épaisseurs de plusieurs microns et donc de protéger durablement une émulsion, c’est la possibilité des chaînes libres de polymère d’une phase de diffuser à travers la membrane créée pour atteindre l’autre phase et ainsi se complexer avec leurs chaînes partenaires. Cependant la membrane étant composée d’un réseau très dense de chaînes de polymères déjà assemblées, la diffusion n’opère pas librement, mais est contrainte par des obstacles. Les chaînes doivent alors se déformer pour passer à travers les pores très petits du réseau enchevêtré. Il en résulte que la croissance est très lente et que sa vitesse dépend fortement de paramètres tels que la concentration en polymères ou la longueur des chaines qui contrôlent la structure du réseau constituant la membrane. De manière assez surprenante, l’équipe a en particulier observé que les chaînes de polymères les plus petites diffusaient moins vite que les longues chaînes à travers cette membrane. Ce résultat contre-intuitif est expliqué par le fait que la taille des pores créés dans la membrane est d’autant plus petite que les chaînes sont courtes, ce qui freine d’autant la diffusion des polymères. Outre la compréhension fondamentale des mécanismes microscopiques d’auto-assemblage des membranes, ces résultats permettront de développer des membranes ayant des gammes d’épaisseurs adaptées, pour mieux contrôler la durée de vie des émulsions industrielles.

Référence : Growth mechanism of polymer membranes obtained by H-bonding across immiscible liquid interfaces, Julien Dupré de Baubigny, Patrick Perrin, Nadège Pantoustier, Thomas Salez, Mathilde Reyssat and Cécile Monteux.

ACS Macro Letters (2021) 10 204−209, DOI : 10.1021/acsmacrolett.0c00847

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Figure 1 membrane obtenue par assemblage de chaines de polymeres à une interface eau-huile via des liaisons hydrogène
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Figure 2 Croissance des membranes au cours du temps en fonction de la longueur des chaînes polymères

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