Développement d'interfaces intelligentes aux propriétés thermoréversibles

par Madeline Vauthier

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Vincent Roucoules et de Florence Bally.

Soutenue le 14-09-2018

à Mulhouse , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (laboratoire) et de Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (laboratoire) .


  • Résumé

    Les problématiques liées aux surfaces et interfaces prennent de plus en plus d’importance dans de nombreux secteurs, aussi bien académiques qu’industriels. Dans de nombreuses applications, il n’est parfois pas nécessaire de conférer la réactivité désirée à la totalité du volume du matériau : une surface aux propriétés bien contrôlées peut suffire.Lieu de discontinuité des propriétés d’un matériau, la surface possède un comportement qui lui est propre, généralement apporté par une étape de fonctionnalisation. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à élaborer des surfaces polymères aux propriétés thermoréversibles, de comprendre les mécanismes réactionnels mis en jeu aux interfaces et de proposer de nouvelles surfaces aux pouvoirs adhésifs réversibles.Il existe de nombreuses techniques permettant de modifier la surface des matériaux. La littérature est abondante et variée, on y trouve notamment des techniques visant à introduire des groupements fonctionnels à la surface d’un substrat. Parmi elles, la polymérisation plasma est une technique de dépôt chimique en phase vapeur, sans solvant, permettant le dépôt de films minces de polymères aux propriétés physico-chimiques contrôlées sur une grande variété de matériaux. Le plasma, état très excité de la matière, est généré grâce à un champ électromagnétique. C’est cette technique de fonctionnalisation qui a été choisie dans ce travail de thèse dans le but de déposer un film mince de polymère possédant des propriétés thermoréversibles sur divers substrats.Les propriétés de thermoréversibilité sont apportées grâce à la présence de groupements furanes, capables de réagir avec un diénophile par une réaction de Diels-Alder (DA). Cette réaction, dite « click », entre un diène et un diénophile a été décrite pour la première fois en 1928 par Otto Diels et Kurt Alder, et fut à l’origine de l’obtention de leur Prix Nobel en 1950. Dans la littérature, les études sur la réaction de DA sont majoritairement réalisées en solution voire sur des matériaux massifs. Cette chimie a été beaucoup moins étudiée sur/dans des films minces, où la notion de confinement prend toute son importance. C’est dans ce contexte que se posent ces travaux de thèse.Dans un premier temps, une étude expérimentale approfondie sur la réactivité de DA (étude cinétique et thermodynamique) a été réalisée. Des polymères plasma ayant des propriétés physico-chimiques variées ont été synthétisés et un couple diène/diénophile modèle, le furane présent dans le polymère plasma et l’anhydride maléique en solution, a été choisi. La compréhension de la réactivité interfaciale de DA sur des polymères plasma constitue la première grande partie de cette thèse. Diverses méthodes de caractérisation des propriétés du film mince fonctionnel (spectroscopie infrarouge, spectrométrie photo-électronique X, mesures d’angle de contact, mesures par microbalance à cristal de quartz avec dissipation, microscopie à force atomique et ellipsométrie) ont été utilisées pour confirmer dans un premier temps la faisabilité du procédé de fonctionnalisation basé sur la polymérisation plasma puis de quantifier la réactivité interfaciale de DA. Dans une seconde partie, la méthodologie développée a été élargie à la compréhension de la réactivité interfaciale de DA et rétro-DA mettant en jeu un autre couple diène/diénophile, à savoir le furane (toujours greffé sur le polymère plasma) et le maléimide (en solution). Enfin, le greffage du maléimide sur un substrat a permis de s’interroger sur la faisabilité d’une adhésion covalente réversible, à l’échelle moléculaire mais aussi macroscopique, entre deux substrats solides fonctionnalisés, l’un avec des groupements furanes, l’autre avec des groupements maléimides. [...]

  • Titre traduit

    Smart coatings with interfacial thermoreversible properties


  • Résumé

    Should we adapt to materials or can we modify materials to obtain what we want and what we need? Since the beginning of humanity, natural materials (stone, wood, etc.) have allowed civilizations to develop. Thanks to the increase of knowledge in the field of materials and to the development of more and more sophisticated fabrication processes, civilizations have also allowed the development of materials such as metal alloys, ceramics and, more recently, synthetic polymers. Since the second-half of the 20th century, researchers and engineers have found interest in responsive materials and particularly responsive polymers, able to adapt to their surrounding environment such as the mostly studied poly(N-isopropylacrylamine). The number of studies to design new smart materials keeps increasing because they play an important role in the development of advanced technologies. Today, we can find smart materials in all areas of activity.According to the targeted application, different stimuli are considered and can be classified amongchemical or physical stimuli.Recently, chemical stimuli have been studied for various applications, such as the elaboration of pH-stimuli responsive materials to control drug delivery and separation processes. The presence of specific molecules, for instance containing polar groups or able to form hydrogen bonds, can also modify the properties of materials and may be used to induce self-healing processes. Biomolecules may also provide chemical signals for the selective conjugation of proteins or sugars. Besides, physical stimuli have also gained interest because they can be remotely applied. Indeed, electro- or magneto-active polymers respond to an applied electric or magnetic field by changing their size or shape for instance. They are used to elaborate sensors, robotic muscles, to store data and in nanomagnetic materials for various biomedical applications. Photo-sensitive polymers can change their physicochemical properties in response to light irradiation at a given wavelength and intensity. The photoresponsive polymers are broadly used in nano- or bio-technology, such as for bio-patterning and photo-triggered drug delivery. Another highly-studied physical stimulus consists in the variation of the environmental temperature. This method is used for drug delivery, in liquid chromatography to vary the power of separation without changing the column and/or the solvent composition or to elaborate self-healing materials (composites) thanks to weak (H-bonds) or covalent interactions forinstance.In the former examples, the whole composition of the system is usually specifically formulated to react to environmental conditions, although many phenomena locally occur at the surface of the material. This strategy is thus economically non-viable because only few percents of the material volume are exploited for their smart properties. Consequently, industrial renewal can be stimulated by the fabrication of stimuli-responsive coatings that could cover any material, preserving the characteristics of the bulk material and limiting the cost of these additional smart properties. [...]


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par Université de Haute Alsace [diffusion/distribution] à Mulhouse

Développement d'interfaces intelligentes aux propriétés thermoréversibles


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Informations

  • Sous le titre : Développement d'interfaces intelligentes aux propriétés thermoréversibles
  • Détails : 1 vol. (170 p.)
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