Assemblage induit en milieu solvant de nanoparticules de silice à patchs : vers de nouvelles molécules colloïdales

Solvent-induced assembly of patchy silica nanoparticles : towards new colloidal molecules

• Auteur / Autrice : Weiya Li
• Direction : Étienne Duguet, Serge Ravaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 24/07/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Duguet, Serge Ravaine, Mario Maglione, Corine Gerardin, Daniela J Kraft, André H Gröschel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corine Gerardin, Daniela J Kraft

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Nanoparticules

Silice

Polymérisation en émulsion

Mots clés libres

Particules à patchs

Silice

Polystyrène

Assemblage

Clusters

Chaînes

Monocouches

Polymerisation en émulsion

Patchy particles

Silica

Polystyrene

Assembly

Clusters

Chains

Monolayers

Emulsion polymerisation

Résumé

Cette étude porte sur l’assemblage de particules à patchs pour obtenir de nouveaux matériaux. L’étatde l’art a permis de choisir et de mettre en oeuvre une stratégie originale dont la force motrice est l’assemblageinduit en milieu solvant, c’est-à-dire basé sur le caractère collant des macromolécules de polystyrène (PS)lorsqu’elles sont soumises à un mélange d’un bon et d’un mauvais solvant. Nous avons étudié l’assemblage enclusters, en chaînes ou en monocouches de nanoparticules (NPs) de silice possédant respectivement un, deux outrois patchs, constitués de macromolécules de PS greffées à des endroits spécifiques de leur surface. Les NPs desilice à un patch, présentant un rapport de taille patch/particule contrôlable, ont été synthétisées avec succès parune étape de séparation de phases induit par gonflement suivie d’un dépôt de silice régiosélectif. Leur assemblagea été réalisé dans des mélanges binaires DMF/éthanol. Les effets de la qualité du solvant, de la force decentrifugation, de la concentration en NPs, de la durée d'incubation et du rapport de taille patch/particule ont étéétudiés et discutés. La stratégie a été étendue pour obtenir des clusters à base d’or. Les NPs de silice à deuxpatchs ont été préparées par un procédé de polymérisation en émulsion ensemencée du styrène et le rapport detaille patch/particule a été ajusté via le taux de recroissance du noyau de silice. L’assemblage en chaînes des NPsa été réalisé dans des mélanges THF/solution aqueuse de NaCl en faisant varier la concentration en NaCl, lerapport volumique THF/eau, la durée d’incubation, la concentration en NPs et le rapport de tailles patch/particule.Nous avons montré que la cinétique de croissance des chaînes est typique d’une croissance par étapes. Desstratégies pour imiter des homopolymères, des copolymères statistiques, des copolymères séquencés à blocs etdes polymères ramifiés ont été mises en oeuvre, en utilisant comme briques de base des NPs à un patch, des NPsà deux patchs avec des tailles ou des fonctions de surface différentes et/ou des NPs à trois patchs. Les NPs desilice à trois patchs ont été obtenues par la même voie de synthèse que celles à deux patchs. Pour les assemblerdans des structures 2-D en nid d'abeille, nous avons utilisé la technique de Langmuir et nous avons étudiél'influence de différents paramètres expérimentaux. Une étape de recuit sous vapeur de THF a été mise en oeuvre,ce qui a permis de renforcer mécaniquement l’assemblage, mais sans effet significatif sur la compacité.

This study deals with the assembly of patchy particles to get new materials. The state-of-the-art allowedus to select and implement an original strategy whose driving force is the solvent-induced assembly, i.e. based onthe stickiness of polystyrene (PS) macromolecules when they are subjected to a mixture of good and bad solvents.We investigated the assembly into clusters, chains or monolayers of one-patch, two-patch or three-patch silicananoparticles (NPs), respectively, the patches being PS macromolecules grafted at specific positions on theirsurface. One-patch silica NPs with controllable patch-to-particle size ratio were successfully synthesised throughphase separation and site-specific silica coating. Their assembly was performed in DMF/ethanol binary mixtures.The effect of the solvent quality, centrifugation force, particle concentration, incubation time and patch-to-size ratiowas investigated and discussed. The strategy was spread to obtain gold-coated clusters. The two-patch silica NPswere prepared through a seed-growth emulsion polymerisation of styrene and the patch-to-particle size ratio wasadjusted through the extent of the silica core regrowth. The chaining of the NPs was efficiently achieved in theTHF/NaCl aqueous solution mixtures by varying the NaCl concentration, solvent quality, incubation time, NPsconcentration and patch-to-particle size ratio. We showed that the kinetics of the chaining process is characteristicof a reaction-controlled step-growth polymerisation. Strategies to mimic homopolymers, random copolymers, blockcopolymers and branched polymers were implemented by using one-patch NPs, two-patch NPs with different sizes/surface chemical functions and/or three-patch NPs as building units. The three-patch silica NPs were obtainedthrough the same synthetic pathway than two-patch ones. For assembling them in honeycomb-like 2-D structures,we used the Langmuir technique.and we studied the influence of different experimental parameters. THF vapourannealing was implemented to reinforce mechanically the assembly but without significative effect on the packingdensity.