Photochimie : vers l’impression 3D et la polymérisation sous la lumière du soleil

La photopolymérisation, qui consiste à synthétiser des polymères sous l’action de la lumière, a connu un essor spectaculaire au cours des dernières décennies. Par rapport aux procédés classiques de polymérisation, la lumière offre de nombreux avantages: économie d’énergie, absence de solvants organiques, procédés plus sûrs et plus respectueux de l’environnement… L'avènement des LED comme sources de lumières concentrées et efficaces a largement participé au déploiement de la photopolymérisation dans des applications qui vont de l'impression 3D aux matériaux biomédicaux, en passant par les revêtements et la dentisterie.

Parmi les techniques utilisées, la polymérisation radicalaire^* se distingue comme l'une des réactions les plus répandues, offrant des taux élevés de conversion des monomères en polymères en des temps relativement courts et dans des conditions douces. Cette efficacité est étroitement liée aux propriétés du photo-amorceur utilisé pour initier la réaction de polymérisation. Ce dernier est typiquement une molécule organique photosensible qui doit interagir efficacement avec une source lumineuse de la bonne longueur d’onde pour générer des radicaux libres (l’espère réactive) dans le milieu réactionnel.

Dans ce contexte, des chercheurs de l’Institut des sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute-Alsace), en collaboration avec l’université d’Aix-Marseille, l’University of South Australia et l’Académie des Sciences Chinoise (CAS, Shanghai Institute of Ceramics), ont développé une nouvelle série de photo-amorceurs haute performance pour l’impression 3D avec de la lumière UV-visible (405 nm). Ils ont synthétisé et étudié une série de dérivés du carbazole, une structure aromatique bien connue pour sa photosensibilité. Par rapport aux systèmes existants, ces nouveaux photo-amorceurs permettent d’améliorer significativement les vitesses de polymérisation et donc de produire des objets par impression 3D en un temps record tout en travaillant à plus faible intensité lumineuse. Une avancée parue dans la revue Small qui devrait permettre de démocratiser très largement l’impression 3D par photopolymérisation en la rendant compatible avec des imprimantes domestiques de faible coût.

Forte de son expertise en photochimie, l’équipe de scientifiques a ensuite relevé un second défi: mener ces réactions directement sous la lumière naturelle du soleil. Renouvelable, inépuisable et gratuite, ce serait en effet la source de lumière idéale pour une photopolymérisation écoresponsable. Malheureusement, même les photo-amorceurs les plus performants activables avec des LED sont inefficaces sous la lumière du soleil, de plus faible intensité et avec un spectre d'émission beaucoup plus large. Pour lever ce verrou, l’équipe s’est intéressée à une nouvelle famille de molécules photosensibles à base de naphthothiazole-dione et dont la synthèse est simple. Sur les 15 molécules étudiées, 5 sont capables d’amorcer une photopolymérisation quasiment complète sous la lumière du soleil en un temps de l’ordre de la minute. Ces résultats, également publiés dans la revue Small, permettent d’envisager la photopolymérisation en plein air pour la synthèse de polymères verts et de nouvelles applications en extérieur à grande échelle.

^*La polymérisation radicalaire est une réaction en chaîne largement utilisée pour la synthèse des polymères. L’espère réactive qui permet la croissance de la chaîne de polymère est un radical.

Rédacteur : AVR