Une erreur de dosage et un film métallique : comment Hideki Shirakawa a découvert les polymères conducteurs

À l'automne 1967, au sein d'un laboratoire de chimie de l'Institut de technologie de Tokyo, un chercheur invité s'apprêtait à polymériser de l'acétylène gazeux à l'aide d'un catalyseur classique de Ziegler-Natta. La polymérisation de l'acétylène produisait habituellement une poudre noire insoluble, mais cet essai donna naissance à une substance totalement différente. Le laboratoire était supervisé par l'assistant de recherche Hideki Shirakawa, qui étudiait alors le mécanisme réactionnel fondamental de la synthèse du polyacétylène. L'expérience transforma ce qui devait être une simple vérification de routine en l'acte fondateur d'une nouvelle branche de la chimie des polymères.

Des radios d'enfance à l'Institut de technologie de Tokyo

Hideki Shirakawa est né à Tokyo en août 1936 et a grandi à Takayama, au Japon. Il a intégré l'Institut de technologie de Tokyo en avril 1957, y obtenant son diplôme de docteur en ingénierie en mars 1966. Dès le mois d'avril 1966, il est devenu assistant de recherche au sein de cet établissement, où il a entrepris l'étude systématique de la polymérisation du polyacétylène au moyen de systèmes catalytiques Ziegler-Natta.

L'erreur de quantité molaire dans le réacteur

Le résultat inédit de l'expérience de l'automne 1967 découlait d'une simple erreur d'unité. Un scientifique invité avait introduit un excès massif de catalyseur dans le réacteur, multiplié par mille, après avoir confondu les millimoles et les moles dans le protocole expérimental. Selon les archives biographiques du prix Nobel, cette concentration hors norme a accéléré la vitesse de polymérisation d'environ mille fois. L'acétylène gazeux se polymérisant de façon presque instantanée au contact de la surface liquide, il s'est formé une couche continue au lieu de la précipitation en poudre habituelle. Lorsque Shirakawa a examiné ce matériau au microscope électronique, il a observé un film argenté et flexible, constitué de microfibres de polyacétylène densément enchevêtrées, maintenues ensemble grâce aux propriétés de solubilité particulières de la solution catalytique utilisée.

Dix millions de fois plus conducteur

L'aspect brillant et métallique de ce film mince a rapidement attiré l'attention du chimiste américain Alan MacDiarmid, alors en visite. En septembre 1976, Shirakawa s'est rendu à l'université de Pennsylvanie pour collaborer avec MacDiarmid et le physicien Alan Heeger. Le 23 novembre 1976, Shirakawa et le chercheur postdoctoral C.K. Chiang ont installé un dispositif à quatre pointes afin de mesurer les propriétés électriques du film tout en y introduisant des dopants chimiques. Lorsqu'ils ont ajouté de la vapeur de brome au film de polyacétylène, le dopant a extrait des électrons du squelette polymérique. La conductivité électrique du film a fait un bond spectaculaire, augmentant de dix millions de fois de manière quasi instantanée, un saut si massif qu'il a dépassé les capacités de mesure de leurs électromètres.

La structuration des microfibres

Shirakawa est ensuite retourné au Japon et a rejoint l'université de Tsukuba en novembre 1979 en tant que professeur associé, avant de devenir professeur titulaire. Pour remédier au désordre structural tridimensionnel des premiers films de polyacétylène, il a mis au point une technique permettant de synthétiser des films de polyacétylène orientés de manière uniaxiale grâce à des solvants à cristaux liquides. En orientant la solution catalytique dans un milieu de cristaux liquides soumis à un champ magnétique ou à des conditions d'écoulement, il est parvenu à aligner les chaînes de polymères parallèlement les unes aux autres. Ancrés dans la découverte fortuite du film en 1967 et les mesures décisives de conductivité de 1976, ces travaux ont valu à Shirakawa, MacDiarmid et Heeger le prix Nobel de chimie en 2000, posant ainsi les bases fondamentales des polymères métalliques synthétiques.

Illustration éditoriale générée par IA ; ce n’est pas une photographie documentaire.

Source: Nobel Prize Hideki Shirakawa