Cristaux colloïdaux de Silice@Polymère. : Synthèse, auto-assemblage, propriétés photoniques.
par Charles Deleuze
Thèse de doctorat en Chimie des polymères
Sous la direction de Laurent Billon.
Soutenue en 2009
à Pau .
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Résumé
Les couleurs vives des systèmes naturels (papillon, coléoptère,…) sont généralement le résultat de leurs interactions physiques avec un rayonnement (visible) extérieur. La compréhension de tels phénomènes nécessite la reproduction de ces systèmes constitués de motifs monodisperses simples mais assemblés de manière complexe. Pour cela, un protocole de mise en oeuvre a été élaboré afin de produire une brique élémentaire submicronique constitué d’un coeur de silice (SiO2, [100 ; 1400] nm) sphérique enrobé d’une écorce de polymère élastomérique de PolyAcrylate de Butyle (PBA, [5 ; 115] nm) susceptible de s’autoassembler en un matériau macroscopique iridescent. La production de systèmes coeur@écorce monodisperses a requis l’utilisation de technique de polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) de type nitroxyde (NMP) pouvant générer à partir de la surface une brosse homogène de PBA de taille contrôlée (densité de greffage, masse molaire). La forte interaction adhésive résultant du contact entre particules a entrainé la formation de ponts capillaires capables de dissiper l’énergie d’assemblage sous forme de fibrilles ou de cavités. Un procédé d’auto-assemblage de type dip coating, basé sur les forces de capillarité, a permis de contrôler la structuration et l’empilement de briques élémentaires en larges cristaux de colloïdes en seulement quelques secondes. Ces cristaux photoniques présentent selon la hauteur du dépôt, de la brosse de polymère et du milieu environnant une iridescence identifiée comme une diffraction 2D ou 3D rappelant le comportement des ailes de papillons. L’élaboration de matériau plus complexe s’est traduit par l’utilisation de particules quantum dots ou la mise en oeuvre de doubles structurations de type réseau inverse ou nid d’abeille.
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Titre traduit
Silica@Polymer colloidal crystals. Synthesis, self-assembling, photonic properties.
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Résumé
The bright colours of natural systems (butterfly, beetle,. . . ) are usually the result of their physical interactions with external light. Understanding such phenomena requires the reproduction of their structure generally based on simple monodispersed array assembled in a complex form. To reach this aim, a general set-up has been devoted to produce an elementary submicronic brick made by a silica (SiO2, [100, 1400] nm) sol-gel- spherical core surrounded by a PolyButyl Acrylate (PBA, [5, 115] nm) elastomeric polymer shell suitable to self-assemble into a macroscopic iridescent material. The production of such monodisperse core@shell systems required the use of the controlled radical polymerization (CRP) especially the nitroxyde technics (NMP). Thanks to the grafting density and the molecular weight, an homogeneous and a controlled size PBA brush has been synthesized from the surface. The strong adhesive interaction situated on the particles contact zone has generated capillary bridges formation enable to dissipate assembling energy in the form of fibril or cavity. In only a few seconds a dip coating self-assembling process, based on capillary force, helped us to control the structure and the stacking of the core@shell building blocks in large colloidal crystals. These photonic crystals present, in accordance with the coating thickness, the polymer brush and its environment, a 2D or 3D diffraction recalling the behaviour of the butterflies wings. The development of more complex material has resulted in the use of quantum dots particles or in the inverse opal or honeycomb implementation as double structures.
