L'Institut de chimie du CNRS accueille Krzysztof Matyjaszewski en tant qu'Ambassadeur des Sciences Chimiques en France

Qu'est-ce que la polymérisation radicalaire par transfert d'atomes (ATRP) et pourquoi est-ce si utile ?

La polymérisation radicalaire est la réaction d'addition la plus simple pour créer de longues macromolécules, appelées chaînes de polymères, à partir de petites molécules de base : les monomères. Largement utilisée pour synthétiser les plastiques, il s'agit d'une réaction non contrôlée qui produit des chaînes de polymères de longueurs et architectures très disparates. Les chimistes des polymères s’évertuent depuis longtemps à développer des méthodes de polymérisation aussi simples mais contrôlées/vivantes qui permettraient de préparer des macromolécules plus complexes avec une distribution de longueur mieux contrôlée et des architectures multiblocs, ramifiées ou même en étoile.

Ces architectures combinent en effet à l'échelle d’une même molécule les propriétés de différents polymères, comme l’hydrophobie et l’hydrophilie, la dureté et l’élasticité, la conduction et l’isolation électrique, l’activité optique, la biodégradabilité, etc. De tels copolymères trouvent de nombreuses applications dans les dispositifs biocompatibles, l'administration de médicaments, le traitement de l’eau par floculation, les stabilisants et agents moussants pour l’industrie cosmétique ou agro-alimentaire, les matériaux légers résistant aux chocs, les adhésifs, les peintures…

L'ATRP est précisément un tel procédé catalytique qui permet de rendre contrôlée/vivante la polymérisation radicalaire des monomères vinyliques. Elle repose sur l'utilisation d'un catalyseur à base de cuivre facilement disponible qui met en veille par intermittence une chaîne de polymère en train de croître. Cette régulation de la réactivité des chaînes permet non seulement qu’elles croissent toutes en même temps tout en minimisant les réactions de terminaison latérales, mais aussi de réactiver ultérieurement une chaîne pour l'ajout d’un ou plusieurs autres blocs consécutifs de monomères différents.

Depuis sa découverte en 1995, quelles ont été les évolutions les plus importantes de l’ATRP ?

Dans nos premières expériences en 1995, nous utilisions 1 % molaire de catalyseur de Cu. Nous avons depuis développé des catalyseurs beaucoup plus actifs qui permettent de travailler avec des très faibles concentrations, de l’ordre de la part par million, qui plus est facilement extractables. Cependant, les réactions de terminaison ne peuvent jamais être totalement évitées et il est nécessaire de régénérer en continu ces catalyseurs pendant la réaction. On peut utiliser pour cela divers agents réducteurs doux tels que l'acide ascorbique, les sucres, mais aussi la lumière, le courant électrique ou les forces mécaniques. Ceci permet d’ailleurs un excellent contrôle spatio-temporel externe sur la polymérisation et des procédés de polymérisation très sûrs.

Récemment, nous avons étendu ce contrôle à l'utilisation de la lumière visible ou même infrarouge et avons également développé des systèmes tolérants à l'oxygène qui rendent possible l’ATRP dans l'eau et à l’air libre. Ces avancées ont permis la synthèse de nombreuses molécules bioconjuguées avec des acides nucléiques, des protéines et même des exosomes par ATRP. Enfin, nous avons aussi développé l’amorçage de l’ATRP sur des surface ou des nanoparticules pour les fonctionnaliser et augmenter leur dispersibilité, leur pouvoir lubrifiant ou générer des matériaux antisalissure et antibactériens qui peuvent également répondre à des stimuli externes.

Cette technique simple de polymérisation a-t-elle déjà été développée à l’échelle industrielle ?

Depuis 1995, plus de 40000 articles scientifiques sur la polymérisation radicalaire contrôlée ont été publiés, dont plus de la moitié sur divers aspects de l'ATRP, et 2000 brevets délivrés. À l'Université de Carnegie Mellon, nous avons créé un consortium pour faciliter la valorisation de ces travaux et le transfert de connaissances et de technologies vers l'industrie. Nous comptons déjà 60 membres d'entreprises du secteur de la chimie aux États-Unis, au Japon, en Chine, en Corée, en Afrique du Sud, au Mexique et en Europe de l'Ouest, dont 3 en France. Carnegie Mellon a signé 17 licences commerciales et la production de divers matériaux polymères avancés par ATRP a commencé en 2004 au Japon, aux États-Unis et en Europe.

En 2019, l'Institut de Chimie du CNRS a initié ce programme intitulé « Ambassadeurs des Sciences Chimiques en France ». Son ambition est de permettre à de prestigieux chercheurs étrangers de visiter une série de laboratoires français actifs dans leur domaine. Ces visites comprennent non seulement des conférences de haut niveau par l'ambassadeur, mais sont également une bonne occasion d'établir des contacts préliminaires et de favoriser des collaborations internationales pour les laboratoires français visités. Qu'attendez-vous de ce programme ?

Avec la Pologne et les États-Unis, la France est mon pays préféré et ce pour de nombreuses raisons liées à la culture, l'histoire, la gastronomie, la science et les personnes. J’ai beaucoup d'amis très proches en France. Dans mon équipe de recherche, j'ai eu le plaisir d'accueillir 20 étudiants et postdocs français. Ils ont ensuite fait des carrières très réussies dans l'industrie ou le milieu universitaire français, comme les Pr. Mathias Destarac, Jean-François Lutz ou Renaud Nicolaÿ. Nous avons publié ensemble plus de 50 articles et 40 autres avec mes collègues de Toulouse, Paris, Strasbourg, Montpellier ou Marseille. Cette visite en France me donnera l'occasion de discuter de science, de renouer des contacts scientifiques et personnels, de diffuser nos recherches et, bien sûr, de profiter de la belle culture et de la gastronomie françaises.

*Initialement prévue en 2020, la visite a été reportée à ce mois d'avril en raison de la crise sanitaire.