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La lente fragmentation des plastiques décryptée

La lente fragmentation des plastiques décryptée

Sac plastique à la dérive. MichaelisScientists/Flickr, CC BY-NC-SA

Fanon Julienne, Le Mans Université


Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (du 5 au 13 octobre 2019 en métropole et du 9 au 17 novembre en outre-mer et à l’international) dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « À demain, raconter la science, imaginer l’avenir ». Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.



Les plastiques présentent de nombreux avantages : ils sont légers, résistants et peu coûteux à fabriquer, ce qui explique pourquoi ils font aujourd’hui partie intégrante de notre quotidien.

Leur durée de vie est toutefois tellement longue qu’ils s’accumulent dans notre environnement jusqu’à devenir de nouveaux marqueurs géologiques de notre temps. Beaucoup de plastiques sont en effet utilisés pour de très courtes durées et leur fin de vie est relativement mal gérée. Nos décharges sont pleines de suremballages et les rejets industriels toujours plus conséquents.

Ce que les plastiques deviennent dans l’eau

La pollution plastique en mer atteint aujourd’hui des proportions affolantes : sur les 359 millions de tonnes de plastiques produites chaque année (données 2018 de Plastics Europe en 2018) dans le monde, 5 % se déverseraient dans l’océan.

Lorsqu’ils atteignent l’environnement aquatique, les plus denses vont couler dans les fonds marins tandis que les moins denses, comme les films d’emballages par exemple, flottent à la surface. Ils peuvent alors être ingérés par divers organismes vivants ou encore sédimenter si des organismes se fixent dessus ; ils peuvent aussi se fragmenter.

Une fois dans les eaux, les plastiques sont dégradés et se cassent en particules de tailles micrométriques (millième de mm) – on les appelle alors « microplastiques » – voire nanométriques (de la taille d’un virus). Cette fragmentation rend l’ingestion des plastiques possible pour des tailles très diverses d’organismes, dont ceux situés à la base de la chaîne alimentaire. Au cours de leur lente dégradation, les plastiques relarguent également des produits toxiques comme les additifs, ajoutés lors de leur formulation pour leur allouer des propriétés spécifiques (anti-feu, antioxydant…).

Tous ces fragments et molécules issus des déchets plastiques s’accumulent dans les diverses composantes de l’environnement, si bien qu’on peut les retrouver très loin des zones d’émission, comme c’est le cas dans les glaces polaires.

À la lumière de cette situation, une question simple se pose : nagerons-nous bientôt dans un océan de micro et de nanoplastiques ?

Pour répondre à cette question, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de fragmentation des plastiques dans l’environnement pour mieux prédire l’évolution des concentrations futures. C’est ce à quoi je m’emploie dans mes recherches en testant les plastiques en laboratoire.

Comment les plastiques se fragmentent

La lumière du soleil, les écarts de température, les contraintes mécaniques et l’activité biologique sont à l’origine de la dégradation du plastique. Les radiations solaires (les UV plus précisément) détériorent, tels les coups de soleil sur notre peau, la surface de ces matériaux.

Lorsque le soleil interagit avec les plastiques, leurs molécules organisées en longues chaînes se coupent. L’oxygène disponible dans l’air et/ou l’eau vient alors se greffer sur ces chaînes cassées. Pour évaluer le vieillissement, il faut donc suivre ces modifications chimiques grâce à des techniques dites « spectroscopiques » (Infrarouge, Raman). Elles permettent d’obtenir un spectre propre à chaque type de plastique, à la manière d’une empreinte digitale. Plus la chimie du plastique sera modifiée et plus son spectre changera. Nous pourrons ainsi suivre jour après jour, dans notre laboratoire, l’évolution chimique de nos plastiques modèles.

Dans le cas d’échantillons disposés dans l’air, la surface des plastiques devient tellement rigide qu’elle ne permet pas aux fissures de s’initier. Sous toutes ces contraintes, le plastique ne pouvant se fragmenter finit par s’enrouler sur lui-même. Il n’en est pas pour autant stable puisque si une contrainte extérieure y est appliquée, comme la manipulation d’une pince, la fragmentation intervient instantanément et se propage dans toutes les directions.

L’eau, quant à elle, ne permet pas au polymère d’atteindre une rigidité aussi élevée, ce qui offre la possibilité au matériau de relâcher toutes les contraintes stockées en initiant la fissuration. Elle pénètre ensuite dans les fissures, les propageant jusqu’à une fragmentation complète.


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Typologie des fissures

Les fissures ne s’initient ni ne se propagent aléatoirement, mais en fonction du type de plastique étudié et du type de fabrication utilisé. Ces deux paramètres définissent des zones de tailles nanométriques dans le plastique dont certaines vieillissent plus facilement que d’autres.

Par exemple, l’organisation de films en polyéthylène (comme dans les sacs plastiques) étant souvent linéaire, les fissures se propagent plus facilement, linéairement et perpendiculairement, à cette organisation ; cela conduit à des fragments de formes allongées. Le polypropylène, utilisé pour les bouchons de soda, présente quant à lui une organisation sous forme de sphères posées les unes à côté des autres : les fissures se propagent dans les sphères, s’ajoutant alors aux fractures linéaires.

Pour l’observation de fissures très petites, qui n’ont pas encore eu le temps de se propager, un instrument très précis – le microscope à force atomique – s’avère nécessaire. Il s’agit d’une petite pointe de taille nanométrique, accrochée à une poutre se promenant à la surface de l’échantillon. Tous types d’informations peuvent ainsi être récoltées à l’aide de cet outil : image, rugosité, résistivité.

On le voit, les fissures constituent la clé de l’étude de la fragmentation des plastiques puisqu’elles déterminent en majeure partie les quantités et les tailles des microplastiques formés. Plus le nombre de fissures est important et plus le nombre de fragments de petite taille est grand. Il a également été observé qu’au cours du vieillissement, le nombre de fragments augmentait mais avec une vitesse de fragmentation différente en fonction du plastique observé ; ce qui semble cohérent avec le fait que l’initiation et la propagation des fissures n’est pas la même d’un plastique à l’autre.

Mystérieux nanoplastiques

Des questions subsistent cependant : jusqu’où vont se fragmenter les nouveaux fragments ainsi formés ? Tous ces fragments vont-ils à leur tour générer de grandes quantités de nanoplastiques ?

Ces interrogations sont d’importance, les nanoplastiques étant potentiellement les plus dangereux ; or on sait très peu de choses sur leur formation et leur devenir. On pourrait supposer, en guise de conclusion, que l’énergie à fournir pour casser un petit fragment devienne trop importante en dessous d’une certaine taille, un peu comme lorsqu’on plie une feuille plusieurs fois de suite. La fragmentation n’aurait ainsi pas le même résultat en fonction des tailles de débris plastiques.


Remerciements à Nicolas Delorme et Fabienne Lagarde, mes directeurs de thèse.The Conversation

Fanon Julienne, Doctorante, Institut des molécules et matériaux, Le Mans Université

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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