Elaboration of micro and mesostructured sol-gel materials using polysilsesquioxane molecular precursors

par Joanna Kustra

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Stéphane Parola et de Maciej Sitarz.

Soutenue le 30-05-2018

à Lyon en cotutelle avec l'AGH University of Science and Technology (Cracovie, Pologne) , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Chimie (UMR 5182) (laboratoire) .

Le président du jury était Pawel Pasierb.

Le jury était composé de Stéphane Parola, Maciej Sitarz, Joanna Lojewska.

Les rapporteurs étaient Marcin Kozanecki, Joanna Pisarska.

  • Titre traduit

    Élaboration de matériaux sol-gel micro- et mésostructurés à partir de précurseurs moléculaires


  • Résumé

    Le projet de thèse a pour but de synthétiser de nouveaux matériaux siliciques à microstructure contrôlée en utilisant des procédés de polycondensation à basse température, et de développer de nouvelles approches de microfabrication 3D à haute résolution par excitation bi-photonique d’une formulation sol-gel. La synthèse de matériaux microstructurés est ici centrée sur le procédé sol-gel, impliquant des réactions d’hydrolyse-polycondensation. Les mtériaux les plus étudiés par ces approches en particulier dans le cadre d’un contrôle de la porosité sont préparés à partir de tetraéthoxide de silicium (TEOS)/ Le matériau est structuré généralement par des agent moléculaires structurants (« templates ») tels que les composés tensioactifs. Ces derniers sont en général éliminés, après condensation des silanols, par traitement thermique ou lavage afin de libérer la porosité et générer la structuration. Cette étape d’élimination des agents structurants est souvent problématique, en particulier au niveau industriel, car elle utilise soit des hautes températures, soit des quantités importantes de solvants. Il y a un enjeu important à développer des approches de microstructuration s’affranchissant de ces agents moléculaires structurants, cela représentant le principal objectif de cette thèse.Deux stratégies sont abordées aux cours de ce travail de recherche. La première implique l’utilisation de précurseurs organosilylés donc la structure moléculaire permet une microstructuration du matériau synthétisé. Cette partie explore l’utilisation de précurseurs de la famille des silsesquioxanes et leur transformation vers les matériaux. La deuxième approche propose d’évaluer pour la première fois l’utilisation de l’excitation biphotonique pour contrôler l’étape de condensation sol-gel par modification de pH au point focal d’un laser et ainsi apporter une résolution micrométrique à la structuration du matériau


  • Résumé

    The main goal of this research was the synthesis of new siliceous materials with controlled microstructures, using low-temperature polycondensation process, and develop the new approach towards 3D microfabrication under two-photon excitation of a sol-gel formulation. Synthesis of microstructured materials is based on the sol-gel process, i.e. hydrolytic polycondensation. Most known siliceous materials with controlled microstructure are synthesized from tetraethoxysilane (TEOS). The materials are generally structured by structuring molecular agents ("templates") such as surfactant compounds, which are then removed by heat treatment or washing with appropriate solvents. This stage of removal of structuring agents is often problematic, particularly at the industrial level, because it uses either high temperatures or large amounts of solvents. Therefore, new methods to obtain materials with controlled porosity without the need to use templates are still being developed. Two strategies are discussed during this research work. First one involved the use of organosilicon precursors with a define structure that at molecular level modify the structure of the final materials. The use of well-defined precursors (silsesquioxanes), in appropriate proportions, allows the control of the porosity of the obtained silica materials. The second approach investigated in this work is the local photo-induced structuration of silicon based pre-hydrolyzed precursors under two-photon excitation allowing high 3D resolution


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