Polymère ionique

Un polymère ionique (ou ionopolymère) est un polymère qui porte des groupes ioniques ou ionisables[1].

Classification des polymères ioniques

Selon le type de charge

• polymères anioniques : polymères chargés négativement ;
• polymères cationiques : polymères chargés positivement ;
• polymères amphotères : contenant des charges positives et des charges négatives.

Selon le nombre de sites ioniques et de la continuité des régions d'interactions ioniques

• les polyélectrolytes : grand nombre de sites ioniques et continuité des régions d’interactions ioniques. La classification des polyélectrolytes est établie en fonction de la nature des charges portées par le polymère :
  • charges positives : polycations ;
  • charges négatives : polyanions ;
  • charges positives et négatives : polyampholytes.

• les ionomères : petit nombre mais significative de sites ioniques et discontinuité des régions d’interactions ioniques. La classification des ionomères est établie en fonction de la nature des charges portées par le polymère :
  • charges positives : cationomères ;
  • charges négatives : anionomères ;
  • charges positives et négatives : zwitterionomères.

• les halatopolymères ou polymères halato-téléchéliques : oligomères ou polymères linéaires ayant des groupes ioniques ou ionisables à chacune des deux extrémités de leur chaîne. Ces groupes sont généralement des carboxylates ou des ammoniums quaternaires.

• les ions polymères : un seul site ionique par polymère. Ces polymères sont utilisés, entre autres, comme tensioactif ioniques.

Selon la dépendance de leurs sites ioniques au pH

• polymères ioniques dépendants du pH : les sites ioniques sont partiellement dissociés selon le pH :
  • charges positives : poly(hydrochlorure d'allylamine), poly(N-vinylimidazole)...,
  • charges négatives : poly(acide acrylique) ;
• polymères ioniques permanents : les sites ioniques sont complètement dissociés quel que soit le pH :
  • charges positives : poly(vinylimidazole quaternisé)...,
  • charges négatives : poly(styrène sulfonate) de sodium...

Selon leur origine

Les polymères ioniques peuvent être synthétiques, naturels (acide nucléiques, protéines, quelques polypeptides et quelques polysaccharides) ou artificiels. Quelques exemples de polyélectrolytes appartenant à ces deux dernières familles sont listés ci-dessous :

• charges positives : polylysine, chitosane ;
• charges négatives : polyglutamate, alginate, pectine, acide hyaluronique ;
• charges positives et négatives : polyadenine ADN...

Selon leur composition

• polymères organiques ;
• polymères inorganique : quelques polymères contenant des fonctions phosphates, silicates, etc.

Certains polymères sont élastiques : on les qualifie alors d'élastomères ioniques ou d'ionoélastomères.

Selon la position des charges

Les sites ioniques peuvent être incorporés dans la chaîne polymère (ionènes) ou beaucoup plus fréquemment dans un groupe pendant de cette dernière.

Classification des sites ioniques

La classification des sites ioniques des polymères est établie en fonction de la nature de leurs charges :

• les anions sont obtenus par déprotonation de fonctions oxacide :
  • oxygène : carboxylate,
  • phosphore : phosphonate,
  • soufre : sulfonate ;
• les cations sont généralement des sels d’onium obtenus par alkylation d’hétéroatomes :
  • azote : ammonium quaternaire,
  • phosphore : phosphonium,
  • soufre : sulfonium.

Classification des contre-ions

La classification des contre-ions est établie en fonction de la nature de leurs charges et selon le nombre d'atomes qui les composent :

• cations :
  • monoatomiques : métalliques : métaux alcalins, métaux alcalino-terreux, métaux de transition,
  • polyatomiques : ammonium, pyridinium ;
• anions :
  • monoatomiques : halogénures : chlorure, bromure, iodure,
  • polyatomiques : tosylates, triflates, méthylsulfate.

Fabrication des polymères ioniques

Les polymères ioniques peuvent être fabriqués comme les autres polymères par polymérisation ou par modification chimique de polymères préexistants.

Utilisations

En 2020, l'équivalent organique d'une jonction p-n est réalisé à l'aide de deux ionoélastomères (l'un polycationique et l'autre polyanionique) au lieu de deux semi-conducteurs cristallins (les porteurs de charges ne sont plus des électrons mais des ions positifs et négatifs). Le dispositif est incolore, transparent, souple et étirable. L'objectif est de réaliser à terme toute une ionoélectronique remplaçant l'électronique dans des situations où les composants électroniques, rigides et cassants, ne conviennent pas[2],[3],[4].

Références

1. La définition des polymères ioniques, polymères anioniques, polymères cationiques, polyélectrolytes, polyampholytes, ionomères, halatopolymères et ionènes provient des définitions de l'IUPAC : http://iupac.org/publications/pac/pdf/2006/pdf/7811x2067.pdf
2. Martin Tiano, « Des transistors souples », Pour la science, n^o 511,‎ mai 2020, p. 9.
3. (en) Dace Gao et Pooi See Lee, « Rectifying ionic current with ionoelastomers », Science (revue), vol. 367, n^o 6479,‎ 14 février 2020, p. 735-736 (DOI 10.1126/science.aba6270).
4. (en) Hyeong Jun Kim, Baohong Chen, Zhigang Suo et Ryan C. Hayward, « Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations », Science (revue), vol. 367, n^o 6479,‎ 14 février 2020, p. 773-776 (DOI 10.1126/science.aay8467).