De la fonctionnalisation aux propriétés antibactériennes pour des applications durables

Le polyéthylène (PE) est l’un des matériaux plastiques les plus utilisés et les plus polyvalents au monde, apprécié pour sa rentabilité, ses propriétés légères et sa facilité de formabilité. Ces caractéristiques rendent le PE indispensable dans un large spectre d’applications, des matériaux d’emballage aux plastiques structurels.

Cependant, malgré son utilité généralisée, l’inertie chimique inhérente du PE limite sa fonctionnalité dans les applications avancées, freinant ainsi son potentiel pour des utilisations plus innovantes.

Pour libérer ce potentiel, il est essentiel d’introduire des groupes fonctionnels polaires dans le PE, ce qui peut améliorer considérablement ses propriétés et ouvrir la porte à de nouvelles applications. Ce défi est devenu un objectif majeur en chimie des polymères, où le développement de méthodes efficaces pour modifier le PE suscite un intérêt croissant.

L’un des principaux obstacles à la modification du PE est sa résistance chimique, qui rend difficile sa fonctionnalisation par les méthodes conventionnelles. Cette inertie contribue également à l’accumulation de déchets de PE dans les décharges, posant ainsi un grave défi environnemental. Alors que la pollution plastique continue de menacer les écosystèmes du monde entier, il est impératif de trouver des moyens de recycler ou de valoriser le PE en produits de valeur.

Bien qu’il existe certaines approches pour modifier le PE, elles manquent souvent d’évolutivité ou d’efficacité, soulignant la nécessité de solutions innovantes qui équilibrent l’impact environnemental avec les avantages fonctionnels de ce plastique omniprésent.

Parmi les différentes stratégies disponibles, l’amination s’est imposée comme l’une des méthodes les plus prometteuses pour modifier la PE.

Mais pourquoi se concentrer sur les amines ?

Les amines sont des groupes à base d’azote avec un ou plusieurs atomes d’hydrogène liés sous forme de liaisons NH. Ces groupes NH peuvent s’engager dans des liaisons hydrogène, permettant des interactions entre les chaînes polymères. Cela améliore non seulement la réactivité chimique du polymère, mais également ses performances dans diverses applications, des adhésifs aux revêtements.

Cependant, parvenir à une fonctionnalisation efficace du PE avec des amines a constitué un défi de taille ; la plupart des méthodes nécessitent plusieurs étapes énergivores ou risquent de dégrader les propriétés du polymère.

Par conséquent, les progrès vers une méthode évolutive et efficace d’amination du PE ont été limités. Notamment, la conversion des groupes NH du PE aminé en d’autres espèces pourrait élargir encore la gamme d’applications du PE.

C’est là que mes recherches, en tant que chercheur postdoctoral au sein du groupe Schafer de l’Université de la Colombie-Britannique, font un grand pas en avant.

Grâce à une exploration approfondie, je me suis concentré sur un processus catalytique appelé hydroaminoalkylation pour aminer efficacement le PE. Auparavant utilisée pour modifier le polypropylène, cette technique s’est révélée prometteuse dans la transformation du PE grâce à une réaction simple en une seule étape.

Le travail est publié dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

La force de cette méthode réside dans son efficacité : elle fonctionne dans des conditions douces et sans solvant et évite la dégradation induite par les radicaux observée dans les méthodes conventionnelles. En appliquant cette approche au polyéthylène à terminaison vinyle (VTPE), généreusement fournie par mon partenaire industriel NOVA Chemicals, j’ai réussi à créer du PE fonctionnalisé par une amine avec des étapes de réaction minimales, améliorant ainsi l’évolutivité et la rentabilité.

À l’Université de Colombie-Britannique, mes collègues du groupe Hatzikiriakos ont effectué des tests rhéologiques et mécaniques sur mon PE aminé. Ils ont constaté que l’introduction de groupes amine modifiait non seulement les propriétés chimiques du PE, mais avait également un impact sur ses caractéristiques physiques.

Par exemple, la température de cristallisation du PE modifié a augmenté, indiquant des interactions intermoléculaires plus fortes au sein du polymère en raison des groupes amine. Les groupes amine ont également augmenté l’hydrophilie du matériau (ou l’attraction pour l’eau), car les liaisons NH peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau.

Traditionnellement, le recyclage du PE est un défi en raison de son inertie chimique, mais cette nouvelle approche nous permet de recycler les déchets de PE en ressources précieuses. L’élimination des déchets PE est très prometteuse en matière de durabilité, permettant de les réutiliser et de les réutiliser pour diverses applications.

Imaginez maintenant un monde dans lequel vous n’auriez pas besoin de vous désinfecter les mains chaque fois que vous touchez une surface, une préoccupation courante pendant la pandémie de COVID-19. C’est le problème que je souhaitais aborder dans mon étude.

Voici comment l’amination peut conduire à un effet antibactérien : j’ai converti les groupes amine du polymère en groupes ammonium chargés positivement en traitant le PE aminé avec une solution de chlorhydrate. Puisque les bactéries ont des membranes cellulaires chargées négativement, elles sont naturellement attirées par les groupes ammonium chargés positivement.

Cette interaction électrostatique perturbe la membrane cellulaire bactérienne, tuant finalement les bactéries. Après cette transformation, mes collaborateurs de l’Université de Calgary, l’équipe Heyne, ont exposé le polymère modifié à la bactérie Staphylococcus aureus. Le polymère a tué toutes les bactéries en un court temps d’exposition.

Essentiellement, j’ai développé un polymère antibactérien qui pourrait être utilisé comme revêtement sur les surfaces quotidiennes, offrant ainsi un moyen de prévenir la propagation des germes sans avoir besoin d’une désinfection constante.

Cette histoire fait partie de Dialogue Science Xoù les chercheurs peuvent rendre compte des résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur Science X Dialog et comment y participer.

Je suis chercheur postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique au sein du groupe Schafer. Mes recherches portent sur la conception de catalyseurs pour l’hydroaminoalkylation des polyoléfines. Avant mon postdoctorat, j’avais terminé mon doctorat. en chimie inorganique et catalyse à l’Université d’Ottawa, dans le groupe Baker.