M4 Élasticité entropique (élasticité du caoutchouc)

Topique

L'étirement de cet élastomère, un réseau réticulé de chaînes moléculaires de ce polymère, allonge chacune de ces chaînes au-delà de la configuration enroulée et désordonnée qu'elle adopterait spontanément au repos, réduisant ainsi l'entropie conformationnelle de chaque chaîne. Plus le nombre de configurations enroulées possibles pour une chaîne est faible, plus elle est étirée par rapport à sa configuration de repos, et plus son entropie conformationnelle est faible. Un étirement supplémentaire de cet élastomère entraîne une diminution encore plus importante de l'entropie conformationnelle de ses chaînes moléculaires.

C'est précisément cette perte d'entropie conformationnelle, et non une quelconque énergie de liaison chimique entre les atomes de ces chaînes moléculaires comme cela se produirait dans un solide cristallin, qui confère à cet élastomère son élasticité. Lorsque l'étirement cesse, chaque chaîne moléculaire du réseau réticulé reprend spontanément sa configuration enroulée et retrouve ainsi l'entropie conformationnelle perdue. C’est cette même tendance spontanée à récupérer l’entropie conformationnelle qui produit la force de rappel élastique de cet élastomère. Plus la perte d’entropie conformationnelle est importante lorsque l’élastomère est étiré avec force, plus la force de rappel élastique sera grande.

Ainsi, ce modèle, qui prend en compte l’étirement de ce réseau réticulé et l’élasticité entropique qui s’ensuit, implique que la densité de réticulation de ce même réseau – c’est-à-dire le nombre de points de réticulation chimique reliant ses chaînes moléculaires par unité de volume – détermine le module de ce réseau. Ce même module est déjà décrit, via la relation contrainte-déformation néo-hookéenne, par un autre modèle de cet ensemble : plus le nombre de points de réticulation reliant ces chaînes moléculaires au sein de ce réseau est élevé, plus le segment de chaîne moléculaire libre entre deux points de réticulation consécutifs est court en moyenne, et moins ce segment peut perdre d’entropie conformationnelle avant d’être complètement étiré, ce qui augmente le module du réseau. Le fait que cette élasticité entropique, sans équivalent dans un solide cristallin tel qu'un métal ou un matériau céramique, soit précisément ce qui distingue cet élastomère signifie que cette même élasticité entropique est, en fin de compte, la condition qui définit cet élastomère en tant que tel, par opposition à tout autre régime de ce polymère.

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