Repousser les limites moléculaires grâce à la réflectométrie neutronique
Grâce à une amélioration récente du réflectomètre neutronique D17 de l'ILL, les mouvements moléculaires peuvent désormais être suivis avec une précision sans précédent.
Les "brosses polymères" sont des structures macromoléculaires composées d'un réseau dense de chaînes polymères attachées à une surface microscopique. Ces structures ont récemment attiré l'attention de la recherche académique en raison de leurs applications nombreuses et variées. Elles peuvent être utilisées pour la lubrification, réduire l'encrassement biologique ou encore pour doter des surfaces de propriétés antibactériennes. De plus, les brosses polymères peuvent être utilisées dans des dispositifs de détection moléculaire biocompatibles (capteurs), par exemple pour détecter les niveaux de glucose dans le sang. À cette fin, les polymères capables de changer de forme en réponse aux modifications de leur environnement sont particulièrement intéressants. Un exemple de ce type de polymère est le Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM en abrégé), connu pour passer d'une forme étendue à une forme globulaire à des températures supérieures à 30-32°C.
Pour caractériser des transitions moléculaires aussi rapides et à si petite échelle, avec une résolution spatiale et temporelle élevée, des dispositifs expérimentaux complexes sont indispensables. Bien que des avancées significatives aient été réalisées avec des techniques comme la spectroscopie optique, celles-ci comportent plusieurs limites, par exemple l'obligation de marquer les polymères avec des colorants fluorescents spécifiques. Ces marqueurs peuvent altérer certaines propriétés des molécules de polymères, notamment leur masse, et ainsi biaiser les expériences. Afin d'améliorer notre compréhension des polymères en solution, des techniques non invasives, telles que celles basées sur les neutrons, sont donc activement recherchées.
La réflectométrie neutronique est une méthode très spécialisée pour sonder le comportement des polymères, y compris les "brosses" de polymères, sur des surfaces planes. l'instrument D17, l'un des réflectomètres de l'ILL, a récemment bénéficié d'une modernisation importante. « Entre autres améliorations, le flux de neutrons de l'instrument a été considérablement accru, ce qui permet d'étudier les transitions moléculaires avec une résolution encore supérieure à celle d'avant la mise à niveau », précise Ben Humphreys, co-responsable de D17. Il a d'ailleurs mené une étude examinant la réponse en solution de chaînes de PNIPAM fixées à une surface de silicium, en fonction de la température et de la concentration en glucose.
Les expériences menées par son équipe ont démontré qu'une concentration croissante en glucose déstabilisait le PNIPAM, entraînant sa contraction à des températures de plus en plus basses. Dans les échantillons sans glucose, le phénomène de contraction se produisait, comme attendu, aux environs de 32°C. De manière notable, une séparation de phase verticale a été constatée tant pour la contraction induite par le glucose que par la température. Concrètement, le polymère se contracte d'abord au voisinage de la plaquette de silicium, puis dans les régions s'étendant vers le solvant. En outre, les mesures de réflectométrie rapides et résolues en temps ont mis en évidence une distinction marquée entre les transitions de la brosse de PNIPAM pilotées par le glucose et celles induites par la chaleur.
« Nous sommes très heureux de ces travaux. Non seulement nos résultats ont offert des perspectives approfondies sur les transitions du PNIPAM sensibles aux stimuli, ce qui est crucial pour le développement de matériaux intelligents, mais ils mettent aussi en lumière la capacité inégalée de la nouvelle génération de réflectomètres de l'ILL pour des études à haute résolution de la cinétique moléculaire en milieu aqueux », ajoute Ben Humphreys.
Référence: Edwin C. Johnson, Hayden Robertson, Erica J. Wanless, Grant B. Webber, Ben A. Humphreys. Neutron reflectometry can capture the rapid collapse and swelling of a polymer brush. Journal of Colloid and Interface Science, Volume 699, Part 2, 2025. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138248
Instrument ILL: D17
Contact ILL : Ben Humphreys