Experimental approaches in studying polyelectrolytes inside a porous matrix : the case of nanoporous alumina membranes

par Anastasia Christoulaki

Thèse de doctorat en Chimie physique et chimie analytique

Sous la direction de Emmanuelle Dubois.

Le président du jury était Sophie Cassaignon.

Le jury était composé de Marie-Claude Dubois-Clochard, Alessandro Siria.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Zanotti, Jörg J. Schneider.

  • Titre traduit

    Approches expérimentales dans l'étude des polyélectrolytes à l'intérieur d'une matrice poreuse : le cas des membranes d'alumine nanoporeuse


  • Résumé

    Le confinement de la matière condensée dans un milieu nanoporeux peut induire à l'échelle nanométrique des changements structurels ou dynamiques drastiques qui conduisent finalement aux propriétés originales. Le confinement des polyélectrolytes, qui sont des polymères porteurs d'une charge électrique, présente un intérêt particulier. Dans ce projet, des membranes d'alumine nanoporeuse auto-ordonnée (nPAAMs), dont les paramètres structuraux sont réglés par la synthèse, ont été choisies comme milieu de confinement et des approches expérimentales ont été proposées pour étudier le confinement d'un polyélectrolyte fort (PE), polystyrène-sulfonate de sodium. Une partie importante de ce travail a été consacrée à la caractérisation des charges structurales et superficielles des nPAAMs. La structure et la composition du nPAAM sont caractérisées par la combinaison de la microscopie électronique à balayage et de la diffusion neutronique à petit angle (SANS). Une stratégie détaillée est proposée pour mesurer les nPAAM dans des conditions optimales en raison de leur forme anisotrope et de leur pouvoir de diffusion élevé ainsi que des informations sur leur composition chimique. La charge superficielle de la membrane a été déterminée par des mesures de potentiel d’écoulement. La charge de la paroi du pore peut être ajustée à une charge positive ou négative et l'étendue des interactions électrostatiques peut être ajustée, ce qui permet d'adapter le milieu aux études de confinement électrostatique. Le comportement de perméation et l'adsorption du polyélectrolyte à l'intérieur des pores sont étudiés par SANS en combinaison avec des mesures de perméabilité. La cinétique de l'adsorption est obtenue par le potentiel d’écoulement et la possibilité d'utiliser la réflectivité neutronique pour ces études est proposée. Ce travail fournit des approches expérimentales sur la caractérisation de l'PE en milieu confiné.


  • Résumé

    The confinement of condensed matter in nanoporous medium can induce at the nanoscale drastic structural or dynamical changes that ultimately lead to original properties. Of a specific interest is the confinement of polyelectrolytes that are polymers carrying an electrical charge. In this project, self-ordered nanoporous alumina membranes (nPAAMs), whose structural parameters are tuned through the synthesis, have been chosen as a confining medium and experimental approaches have been proposed to study the confinement of a strong polyelectrolyte (PE), sodium polystyrene-sulfonate . An important part of this work has been devoted to the structural and surface charge characterization of nPAAMs. The nPAAM’s structure and composition are characterized by combining scanning electron microscopy and small angle neutron scattering (SANS). A detail strategy is proposed for measuring the nPAAMs under optimal conditions due to their anisotropic shape and high scattering power and information on their chemical composition. The membrane’s surface charge has been determined by streaming potential measurements. The pore’s wall charge can be adjusted to positive or negative charge and the extent of the electrostatic interactions can be tuned, tailoring the medium for electrostatic confinement studies. The permeation behavior and the adsorption of the polyelectrolyte inside the pores is studied by SANS combined with flow measurements. The kinetics of the adsorption is accessed by streaming potential and the possibility to use of neutron reflectivity for such studies is proposed. This work provides experimental approaches insight into the characterization of PE under confinement.


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