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Polymeric Self-Assembling Units for a Controlled Adsorption and Release at the Nanoscale

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Des étoiles nanométriques font la lumière sur des procédés d’adsorption et de purification hautement contrôlés

Les amas macromoléculaires présentant une forme d’étoile à l’échelle nanométrique offrent des surfaces relativement grandes pour l’adsorption contrôlée de substances dans les solutions aqueuses. Concevoir de façon rationnelle des structures polymériques et les combiner par milliers permet de produire une armée de «nano-robots» destinés à des applications de purification hautement sélectives et efficaces.

Technologies industrielles

La capacité des solides à attirer et à «retenir» les substances sur leur surface (adsorption) est régulièrement exploitée dans les procédés de purification et de séparation. Le charbon actif est un exemple de solide simple utilisé dans les filtres à eau grand public et les masques qui éliminent les gaz toxiques sur les champs de bataille. Un meilleur contrôle des nouvelles fonctionnalités des matériaux adsorbants peut accroître leur sélectivité, leur sensibilité et leur efficacité. Avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, le projet NANODRIVE a réalisé des études théoriques, informatiques et expérimentales complètes sur l’adsorption à l’échelle nanométrique. La compréhension des mécanismes ouvre la voie à la conception rationnelle de nanoparticules spécialisées pour l’adsorption et la libération de substances dans des domaines critiques, notamment les technologies environnementales, industrielles et médicales.

L’union fait la force

NANODRIVE s’est concentré sur des macromolécules spéciales appelées copolymères diblocs. Les polymères sont de très grosses molécules composées de nombreuses petites unités individuelles (monomères) liées les unes aux autres. Lorsque deux types différents de monomères s’associent et forment des blocs d’unités répétitives dans le grand polymère, la molécule ainsi produite s’appelle un copolymère dibloc. Leur double fonctionnalité physique ou chimique peut être utilisée pour diriger l’auto-assemblage vers une phase ordonnée ou désordonnée prédéterminée. Il faut pour cela procéder à un changement contrôlé de paramètres tels que la concentration, la température, le pH ou la nature chimique des macromolécules polymères. Barbara Capone, boursière dans le cadre du projet, a axé ses recherches sur la conception de copolymères diblocs pour l’adsorption sélective de la «charge» en solution. Plus spécifiquement, en tant que fondatrice et directrice de l’ONG internationale Sunshine4Palestine, qui se concentre sur l’énergie et l’eau dans les situations d’urgence, Mme Capone a ciblé l’adsorption pour l’assainissement à grande échelle dans les zones extrêmement pauvres.

Écrit dans les étoiles

NANODRIVE a commencé par un système simple, les nanoparticules d’argent et l’adsorption des ions métalliques en solution. Mme Capone et Fabio Bruni, coordinateur du projet, expliquent: «En combinant des études théoriques et expérimentales, nous avons pu caractériser pleinement la voie d’adsorption des ions cobalt et nickel dans les nanoparticules d’argent. De plus, nous avons démontré qu’avec quelques paramètres chimiques ou physiques, il est possible de guider complètement le processus de regroupement et l’adsorption sélective.» Les scientifiques se sont ensuite concentrés sur leur objectif principal, les copolymères diblocs en étoile dans lesquelles chaque branche de l’étoile se compose de deux parties. La partie interne interagit avec la charge et la partie externe est utilisée pour ajuster et modifier la forme de la macromolécule adsorbante. NANODRIVE a ajouté une deuxième fonctionnalité aux branches extérieures. La thermosensibilité a permis d’induire un léger changement de température pour verrouiller la charge à retirer de la solution aqueuse.

La conception rationnelle des adsorbeurs à l’échelle nanométrique répond à de nombreux besoins

L’équipe s’attache maintenant à identifier les interactions moléculaires qui permettront la conception rationnelle d’adsorbeurs destinés aux systèmes biologiques. Mme Capone et M. Bruni précisent: «À partir des propriétés d’adsorption de simples homopolymères en étoile, nous avons conçu un ensemble de “nano-robots” macromoléculaires capables de charger des cargaisons et de reconnaître les métaux lourds dans une solution complexe et encombrée en modifiant soit la composition chimique soit la géométrie des nanoparticules». La caractérisation complète de l’adsorption à l’échelle nanométrique de NANODRIVE ouvre la voie à des applications dans tout un éventail de domaines, notamment des applications environnementales et biomédicales.

Mots‑clés

NANODRIVE, polymère, adsorption, étoile, échelle nanométrique, nanoparticules, copolymère dibloc, purification, copolymère dibloc en étoile

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