Laissez tomber le Kevlar, une variante plus légère et plus résistante est arrivée

Polymères plastiques ultra‑résistants

Lorsque l’on étudie les matériaux ultra‑résistants, la discussion se tourne souvent vers les métaux durs, du fer ordinaire aux plus exotiques titane, tungstène ou rhénium (suivez le lien pour un rapport d’investissement dédié à chacun).

Mais ce n’est pas la seule forme de matériau ultra‑résistant. Une autre option consiste à utiliser des polymères résistants, notamment pour les applications où le poids et la flexibilité sont également importants, pas seulement la dureté pure et le point de fusion élevé.

Un matériau bien connu est le Kevlar. Le matériau appartenant à DuPont (DD ) est surtout célèbre pour son utilisation dans les gilets pare‑balles et est également utilisé pour les cordes, les équipements de protection industrielle et d’urgence, l’aérospatiale, la fibre optique, et même les produits de consommation en plein air.

Source: DuPont

Le secret de la résistance du Kevlar réside dans un maillage dense de liaisons moléculaires sur un plan 2D serré, incluant des liaisons hydrogène et de nombreux anneaux aromatiques (hexagones composés de carbone), quelque peu similaire à la soie naturelle, mais encore plus résistant.

Source: Wikipedia

Il n’existe cependant aucune loi physique affirmant que le Kevlar est le polymère le plus résistant. Une alternative encore plus forte a été découverte par des chercheurs de l’Université Duke, de l’Université Cornell et de l’Université Northwestern.

Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Science sous le titre “Mechanically interlocked two-dimensional polymers”¹.

Un nouveau type de maillage polymère

Le Kevlar tire sa résistance des liaisons moléculaires dans un plan 2D. Mais, en général, les matériaux les plus résistants ont tendance à posséder une structure 3D plus complexe.

Par exemple, le maillage complet est beaucoup plus résistant que les anneaux individuels qui le composent. C’est ce design que les chercheurs ont cherché à imiter, mais avec des polymères et au niveau moléculaire.

L’idée était de créer un matériau ultra‑mince mécaniquement entrelacé.

Source: Northwestern University

Inventer une nouvelle méthode de fabrication

En soi, l’idée de liaison entrelacée n’est pas nouvelle, mais elle n’a jamais été produite de façon fiable ou à grande échelle jusqu’à présent. Le problème était que créer cet entrelacement mécanique (et non chimique) était très difficile. La plupart des matériaux ne le permettaient tout simplement pas.

Les chercheurs ont adopté une approche novatrice en utilisant des monomères en forme de X (un monomère est le bloc de construction individuel des polymères). Chaque monomère a ensuite été disposé dans une structure cristalline très organisée.

Ils ont ensuite fait réagir le cristal avec une autre molécule, créant des liaisons à l’intérieur du cristal.

Le résultat final était une structure complexe composée de multiples couches de feuilles polymères 2D entrelacées. Cela a créé des « fils » de monomères en forme de X entrelacés mécaniquement les uns avec les autres, mais non liés chimiquement. Cette combinaison de verrouillage mécanique et de capacité à se déplacer les uns contre les autres a rendu le matériau étonnamment flexible.

« C’est similaire à un maillage car il ne peut pas se déchirer facilement puisque chaque liaison mécanique possède une petite liberté de glissement.

Si vous le tirez, il peut dissiper la force appliquée dans plusieurs directions. Et si vous voulez le déchirer, vous devrez le casser en de très nombreux endroits. »

William Dichtel, professeur de chimie à l’Université Northwestern.

Performance record et évolutivité

Le matériau nouvellement inventé affiche jusqu’à 100 000 000 000 000 liaisons mécaniques par centimètre carré, la densité la plus élevée jamais atteinte en science des matériaux. Ce résultat a été vérifié par des techniques avancées de microscopie électronique, confirmant visuellement la structure entrelacée.

Pour tester l’efficacité de ce nouveau matériau, les chercheurs ont testé son intégration avec un produit de la même famille que le Kevlar : Ultem (polyétherimide), commercialisé par Saudi petrochemical company SABIC.

Ultem est une fibre plastique très résistante à la chaleur et aux produits chimiques. Elle est utilisée dans de nombreux secteurs tels que les dispositifs médicaux, l’électronique, l’automobile, l’industrie chimique et l’aérospatiale. Elle peut également être utilisée dans la fabrication additive (impression 3D).

ULTEM fait partie des quelques résines approuvées pour une utilisation dans le secteur aérospatial commercial. Elle surpasse les thermoplastiques comparables en matière de résistance au fluage, c’est‑à‑dire la tendance des matériaux à se déformer et à se détériorer sous des contraintes mécaniques répétées.

Elle résiste également bien lorsqu’elle entre en contact avec divers carburants, liquides de refroidissement et lubrifiants. Sa résistance au feu garantit qu’elle satisfait la réglementation FAA 25.853 relative à la flambabilité.

Sybridge

Ce premier test d’un matériau composite composé à 97,5 % de fibre Ultem et seulement 2,5 % du nouveau polymère 2D a prouvé une résistance radicalement supérieure. Cela a augmenté la résistance à la traction de la fibre Ultem de 45 % et sa résistance au stress de 22 %.

Un autre facteur clé de l’utilité potentielle pour la fabrication est que le nouveau matériau a été produit en quantités relativement importantes, même dans un cadre expérimental de laboratoire. Les chercheurs ont produit un demi‑kilogramme du nouveau matériau, une quantité bien plus grande que les polymères précédents à liaisons mécaniques.

La méthode qu’ils ont développée peut être utilisée pour la production de masse, les étapes successives de création d’une structure cristalline puis de liaisons chimiques pouvant être automatisées et mises à l’échelle.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Le nouveau matériau ne vient que de commencer à être analysé par l’équipe de chercheurs.

Jusqu’à présent, chaque paramètre mesuré semble indiquer que le polymère est extraordinairement résistant, bien plus que tout polymère inventé à ce jour.

« Nous avons encore beaucoup d’analyses à réaliser, mais nous pouvons dire qu’il améliore la résistance de ces matériaux composites. Presque chaque propriété que nous avons mesurée s’est avérée exceptionnelle d’une manière ou d’une autre. »

William Dichtel, professeur de chimie à l’Université Northwestern.

Tester ce matériau mélangé en plus grande quantité avec l’Ultem, ainsi qu’avec d’autres fibres avancées, sera probablement l’un des premiers essais à réaliser.

Des fibres pures fabriquées à partir de ce matériau devraient également être testées et comparées au Kevlar et à l’Ultem. La résistance aux conditions réelles sera également précieuse pour évaluer pleinement le potentiel commercial de ce produit.

Applications

Cette découverte s’appuie sur l’héritage de l’expertise de l’Université Northwestern en liaisons moléculaires. C’est là que Sir Fraser Stoddart a inventé des liaisons mécaniques à l’échelle moléculaire pour créer des machines moléculaires qui basculent, tournent, se contractent et s’étendent de façon contrôlable.

Sir Stoddart a reçu le prix Nobel de chimie 2016 pour sa découverte et était le mentor de William Ditchel lorsqu’il était chercheur postdoctoral, le scientifique principal derrière la nouvelle découverte du polymère « maillage ».

Ditchel estime que le nouveau polymère a un grand potentiel pour les armures légères et les tissus balistiques. Il est également probable qu’il puisse être utile pour toutes les autres applications utilisant actuellement le Kevlar et/ou l’Ultem.

La force extrême, la flexibilité et le poids léger du polymère pourraient également ouvrir de nouvelles applications où les polymères actuels ne sont pas suffisants. Par exemple, il pourrait être intégré dans des fusées, des combinaisons spatiales, des batteries, etc.

Une application toutefois improbable est l’impression 3D, car la méthode de fabrication additive qui consiste à faire fondre partiellement le plastique pour lui donner sa forme finale perturberait probablement les liaisons mécaniques 3D du polymère.

Investir dans les polymères

Le marché des polymères est immense, évalué à environ 792 milliards de dollars en 2024, et devrait croître à un TCAC de 5,4 % jusqu’en 2034 pour atteindre 1,3 billion de dollars.

Source: Precedence Research

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Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que le iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) ou le Vanguard Materials ETF (VAW) qui offrent une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur l’industrie chimique.

Entreprise de polymères

DuPont

DuPont est une immense société chimique avec de nombreuses marques chimiques importantes comme, par exemple, le Kevlar, le Styrofoam, le Nomex (protection contre le feu), le Great Stuff (adhésif de construction), etc.

DuPont est une société ancienne avec une histoire complexe d’acquisitions, et plus récemment une série de scissions.

Source: DuPont

Ces scissions ont séparé de DuPont les départements de nutrition & biosciences partiellement vendus à Corteva Biosciences (CTVA ), les produits titane formant la société Chemours (CC ), ainsi que la mobilité & les matériaux.

Il séparera également son activité de produits chimiques électroniques en novembre 2025, mais conservera le segment eau (membranes et filtres pour la purification et la désalinisation de l’eau), contrairement aux plans antérieurs.

Source: DuPont

Cela laissera DuPont comme une société beaucoup plus focalisée, avec une activité principale dans les polymères avancés pour la purification de l’eau et les équipements de protection, ainsi que les matériaux avancés pour l’aérospatiale, la santé et les véhicules électriques.

Source: DuPont

DuPont est une véritable société internationale, avec une forte demande pour les produits chimiques spécialisés dans la purification de l’eau et la fabrication industrielle.

Les secteurs desservis par les produits chimiques de DuPont sont également très variés, incluant la construction, la purification de l’eau, l’industrie électronique, l’automobile, l’aérospatiale, la santé, les énergies vertes et la production industrielle.

Source: DuPont

La forte présence de DuPont dans les équipements de protection et la position établie avec la marque Kevlar devraient l’aider à s’adapter au nouveau filament ultra‑résistant dont il est question dans cet article. Il est même probable qu’elle puisse intégrer de tels nouveaux matériaux dans sa gamme Kevlar en créant des fibres hybrides contenant les deux.

Dans tous les cas, à mesure que les nouvelles technologies se développent, tout comme la consommation d’eau, la demande pour les produits chimiques avancés produits par DuPont augmente également.

Référence d’étude:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) Mechanically interlocked two-dimensional polymers.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}