Un océan de microplastiques suivi à l'échelle nanométrique

Comment les déchets d'emballage plastique se dégradent-ils dans l'océan ? C'est la question abordée dans un travail récent consacré à la dégradation du polyéthylène lors d'une exposition prolongée à un milieu marin. Ce polymère semi-cristallin, très utilisé comme emballage plastique, voit sa nanostructure profondément modifiée, avec une augmentation de la cristallinité accompagnée d'une perturbation de l'ordre lamellaire. Cette modification de la nanostructure a des implications importantes pour comprendre la fragilisation, la dégradation chimique puis la rupture d'un déchet (Un déchet (détritus, résidu..) est un objet en fin de vie ou une substance issue d'un processus,...) plastique en fragments de plus en plus petits qui déterminent au final la durée de vie (La vie est le nom donné :) d'un emballage plastique dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...).


Visibles depuis maintenant des décennies, les déchets d'emballage plastique ont un impact fort sur l'environnement. Ils sont un marqueur de nos habitudes de consommation à ce qu'il est convenu d'appeler l'ère de l'anthropocène, où l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) humaine prime désormais sur l'évolution de notre environnement. L'un des principaux coupables est le polyéthylène (PE), un polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) très utilisé comme matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) d'emballage pour sa transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) et son faible coût.

Une publication récente dans la revue Environment Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) & Technology aborde la question de la durée de vie des déchets de polyéthylène dans l'environnement en montrant que leur nanostructure évolue avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). En analysant des déchets plastiques de PE collectés dans l'océan Atlantique (L'océan Atlantique est l'un des cinq océans de la Terre. Sa superficie de...), les auteurs ont tiré des conclusions très simples, mais importantes, quant aux processus déterminant la réintégration du PE dans le cycle naturel du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...).

Tout d'abord, l'exposition prolongée à un milieu marin induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) une très forte diminution de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) des chaines polymères, par un processus de scission de chaine photo-induit par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) UV solaire. Ceci libère le blocage de la cristallisation lié à l'enchevêtrement de longues chaines polymères et conduit à une évolution de la nano-structure semi-cristalline du PE. Le rapport entre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de monomères PE cristallins et amorphe augmente, entrainant une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces...) augmentation de la cristallinité.

Ce résultat original est obtenu par deux méthodes entièrement indépendantes, la calorimétrie (La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantités de...) (DSC) d'une part, et la diffusion des rayons X (voir figure) d'autre part. Les lamelles cristallines restent bien présentes, sans augmentation de leur épaisseur, comme le montre la spectroscopie Raman. Mais l'empilement caractéristique de ces lamelles cristallines, séparées par des zones amorphes, s'estompe avec l'exposition au milieu marin. En effet, aux très petits angles de diffusion, les signaux obtenus en rayons X montrent que le pic lié à la période de cet empilement, bien présent dans des emballages en PE neufs, est très faible voire absent dans la plupart des micro-débris. Ceci montre un réarrangement important des lamelles cristallines dans le matériau polymère. Un schéma (voir figure) résume l'évolution de la structure à l'échelle nanométrique, avec une augmentation de la cristallinité et une forte perturbation de l'ordre lamellaire.

Ainsi, en combinant de nombreuses méthodes expérimentales (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de...), il a été possible de conclure que la nanostructure lamellaire du PE semi-cristallin, responsable de ces excellentes propriétés de barrière dans son utilisation comme emballage, est fortement modifiée par l'exposition environnementale. On s'attend à ce que cette altération de la structure lamellaire accélère l'oxydation du PE en milieu marin et donc la dégradation ultime des déchets plastiques.

Ce travail a résulté d'une collaboration entre plusieurs laboratoires français (*) initiée par Christopher Garvey lors de son congé sabbatique au Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des Solides (LPS), grâce au soutien du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Paris-Saclay.

Référence:
Molecular scale understanding of the embrittlement in polyethylene ocean debris
Garvey, Christopher ; Impéror-Clerc, Marianne ; Rouzière, Stéphan ; Gouadec, Gwenael ; Boyron, Olivier ; Rowenczyk, Laura ; Mingotaud, Anne-Françoise et ter Halle, Alexandra Environmental Science & Technology 18 août 2020.
https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02095