Pourquoi le gonflement de la cellulose lors de son hydratation est irréversible
Publié par Redbran le 13/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens ont montré par simulation moléculaire que l'irréversibilité du gonflement de la cellulose lors de son hydratation est due à la forte stabilité des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau et les chaînes de cellulose. Alors que ces liaisons se forment lors du gonflement induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou...) par l'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.), la cellulose reste gonflée lors du séchage car ces liaisons ne disparaissent pas.


Modèle moléculaire du gonflement de la cellulose amorphe induit par hydratation. Les atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) sont représentés par les sphères blanches et rouges. Les chaînes de cellulose, qui comprennent des atomes de carbon, d'oxygène et d'hydrogène sont representés par les segment gris, cyan (Le cyan ( du grec kuanos, à savoir l'azurite) est une couleur pure de la lumière de longueur d'onde 500 nm. Elle est souvent appelée bleu clair ou bleu ciel. C'est un mélange de lumières bleue et verte. Le cyan est le...) et blancs. L'image correspond à un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) cubique de quelques nanomètres de côté. © Mingyang Chen

De nombreuses expériences ont permis de caractériser le phénomène d'hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se superpose pas avec la courbe E = f(C) obtenue à la...) observé lors de l'hydratation de la cellulose amorphe: la cellulose gonfle beaucoup lorsque l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) augmente mais dégonfle de manière retardée lors du séchage. Des physiciens de l'ETH Zurich et de l'Empa (Suisse), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) du Nevada (USA) et du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) (LIPhy, CNRS/Univ. Grenoble Alpes) viennent d'expliquer ce phénomène en combinant des simulations numériques avec un modèle moléculaire de cellulose amorphe. Ils ont montré que pour comprendre ce phénomène, il était essentiel de prendre en compte à la fois la déformation mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) et la formation et la rupture des liaisons hydrogène. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Pour ce travail, les physiciens ont réalisé des simulations numériques hybrides combinant dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension de résultats...) et méthode de type Monte-Carlo pour analyser l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon...) de molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) au sein d'un modèle réaliste de cellulose amorphe composé de chaines de cellulose entrelacées. Ils ont notamment étudié la capacité des molécules d'eau à former des liaisons hydrogène avec la charpente de cellulose. Ils ont ainsi montré que la cellulose gonfle pour former plus de liaisons hydrogène entre l'eau et la cellulose lors de l'hydratation. En revanche, ces liaisons ne rompent pas à la même humidité relative lors de la déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être partielle ou totale. Toutefois le terme de dessiccation est plus utilisé pour parler de déshydratation totale,...) car elles sont plus stables que les liaisons formées entre molécules d'eau.

Ce mécanisme mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale)...) a été corroboré par une évaluation des propriétés mécaniques et texturales des modèles moléculaires de cellulose amorphe développés par cette équipe de chercheurs.

Référence publication:
Role of hydrogen bonding in hysteresis observed in sorption-induced swelling of soft nanoporous polymers
M. Chen, B. Coasne, R. Guyer, D. Derome et J. Carmeliet
Nature Communications 9, Article number: 3507 (2018)
DOI: 10.1038/s41467-018-05897-9

Contact chercheur:
Benoit Coasne, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Laboratoire interdisciplinaire de physique (LIPhy, CNRS/Univ. Grenoble Alpes)

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