Gel Sculpture: Moldable, Load-Bearing and Self-Healing Non-Polymeric Supramolecular Gel Derived from a Simple Organic Salt

An easy access to a library of simple organic salts derived from tert-butoxycarbonyl (Boc)-protected L-amino acids and two secondary amines (dicyclohexyl- and dibenzyl amine) are synthesized following a supramolecular synthon rationale to generate a new series of low molecular weight gelators (LMWGs). Out of the 12 salts that we prepared, the nitrobenzene gel of dicyclohexylammonium Boc-glycinate (GLY.1) displayed remarkable load-bearing, moldable and self-healing properties. These remarkable properties displayed by GLY.1 and the inability to display such properties by its dibenzylammonium counterpart (GLY.2) were explained using microscopic and rheological data. Single crystal structures of eight salts displayed the presence of a 1D hydrogen-bonded network (HBN) that is believed to be important in gelation. Powder X-ray diffraction in combination with the single crystal X-ray structure of GLY.1 clearly established the presence of a 1D hydrogen-bonded network in the xerogel of the nitrobenzene gel of GLY.1. The fact that such remarkable properties arising from an easily accessible (salt formation) small molecule are due to supramolecular (non-covalent) interactions is quite intriguing and such easily synthesizable materials may be useful in stress-bearing and other applications.

Multi-component, Self-assembled, Functional Soft Materials

Supramolecular chemistry is an emerging tool for devising materials that can perform specified functions. The self-assembly of facially amphiphilic bile acid molecules has been extensively utilized for the development of functional soft materials. Supramolecular hydrogels derived from the bile acid backbone act as useful templates for the intercalation of multiple components. Based on this, synthesis of gel-nanoparticle hybrid materials, photoluminescent coating materials, development of a new enzyme assay technique, etc. were achieved in the author's laboratory. The present account highlights some of these achievements.

Chemical nano-gardens: growth of salt nanowires from supramolecular self-assembly gels.

In this article, we examine the phenomenon of single-crystal halide salt wire growth at the surface of porous materials. We report the use of a single-step casting technique with a supramolecular self-assembly gel matrix that upon drying leads to the growth of single-crystal halide (e.g., NaCl, KCl, and KI) nanowires with diameters ~130-200 nm. We demonstrate their formation using electron microscopy and electron-dispersive X-ray spectroscopy, showing that the supramolecular gel stabilizes the growth of these wires by facilitating a diffusion-driven base growth mechanism. Critically, we show that standard non-supramolecular gels are unable to facilitate nanowire growth. We further show that these nanowires can be grown by seeding, forming nanocrystal gardens. This study helps understand the possible prefunctionalization of membranes to stimulate ion-specific filters or salt efflorescence suppressors, while also providing a novel route to nanomaterial growth.

Luminescent supramolecular microstructures containing Ru(bpy)(3)(2+): Solution-based self-assembly preparation and solid-state electrochemiluminescence detection application

In this correspondence, we report on the first preparation of novel, robust Ru(bpy)(3)(2+)-containing supramolecular microstructures via a solution-based self-assembly strategy, carried out by directly mixing H2PtCl6 and Ru(bpy)(3)Cl-2 aqueous solutions at room temperature. It reveals that both the molar ratio and concentration of reactants have a heavy influence on the morphologies of such microstructures. The electrochemical behavior of the Ru(bpy)(3)(2+) components contained in the solid film of the microstructures formed on the electrode surface is also studied and found to exhibit a diffusion-controlled voltammetric feature. Most importantly, such microstructures exhibit excellent electrochemiluminescence (ECL) behaviors and therefore hold great promise as new luminescent materials for solid-state ECL detection in capillary electrophoresis (CE) or CE microchip.

Surface morphology evolution of poly (styrene-block-4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP)(H+) and poly(methyl methacrylate)-dibenzo-18-crown-6-poly(methyl methacrylate) (PMCMA) supramolecular film

Well-ordered nanostructured polymeric supramolecular thin films were fabricated from the supramolecular assembly of poly(styrene-block-4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP)(H+) and poly(methyl methacrylate)-dibenzo-18-crown-6-poly(methyl methacrylate) (PMCMA). A depression Of cylindrical nanodomains was formed by the block of P4VP(H+) and PMCMA associates surrounded by PS. The repulsive force aroused from the incompatibility between the block of P4VP(H+) and PMCMA was varied through changing the molecule weight (M-w) of PMCMA, the volume fraction of the block of P4VP(H+), and annealing the film at high temperature. Increasing the repulsive force led to a change of overall morphology from ordered nanoporous to featureless structures. The effects of solvent nature and evaporation rate on the film morphology were also investigated. Further evolution of surface morphologies from nanoporous to featureless to nanoporous structures was observed upon exposure to carbon bisulfide vapors for different treatment periods. The wettability of the film surface was changed from hydrophilicity to hydrophobicity due to the changes of the film surface microscopic composition.

Encapsulation and luminescence of the nanostructured supramolecular material [Eu(Phen)(4)](NO3)(3)/(CH3)(3)Si-MCM-41

The nanostructured material (NSM) of pure silica MCM-41 molecular sieve was synthesized with tetraethyl orthosilicate (TEOS) as the source of silica and cetyltrimethylammonium bromide (CTMABr) as the template under supersonic wave condition. Then NSM of (CH3)(3)Si-MCM-41 was obtained by introducing trimethylsilyl to MCM-41. (CH3)(3)Si-MCM-41 showed the similar TEM and XRD photographs with the normal crystal of MCM-41 and the diameter of the NSM crystallites with a hexagon shape is of about 10-40 nm. The dispersivity of (CH3)(3)Si-MCM-41 prevails over the NSM of MCM-41 as its hydrophobicity. The fluorescent intensity of (CH3)(3)Si-MCM-41 is 3.4 times as that of the MCM-41. The luminescent functional supramolecular nanostructured material was prepared in EtOH, and characterized by TEM, HRTEM, XRD, TG, IR, and elemental analysis. The results showed that the [Eu(Phen)(4)](NO3)(3) had entered into the channels of nanosized mesoporous sieve of (CH3)(3)Si-MCM-41, forming discrete centers of luminescence. The energy transferring of the host to guest, superficial effect of NSM, quanta tunnel effect, and discrete luminescent center result in the fluorescent intensity of the supramolecule enhancement.

Sugar–derived organogels as templates for structured, photoluminescent conjugated polymer-inorganic hybrid materials

Co-assembly of an inorganic–organic hybrid material through the combination of supramolecular organogel self-assembly, phase partitioning of a conjugated polymer (CP) and transcription of an inorganic oxide leads to a hybrid material with structured domains of organogel, CP and silica within tube and rod microstructures.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Exploring oligo(p-phenylenevinylene) gelators as sensors and stimuli responsive materials

Gelation provides a unique medium, which often induces organization of molecules resulting in the modulation of their optical, morphological and electronic properties thereby opening a new world of fascinating materials with interesting physical properties at nano- meso- and macroscopic levels. Supramolecular gels based on linear π-systems have attracted much attention due to their inherent optical and electronic properties which find application in organic electronics, light harvesting and sensing. They exhibit reversible properties due to the dynamic nature of noncovalent forces. As a result, studies on such soft materials are currently a topic of great interest. Recently, researchers are actively involved in the development of sensors and stimuli-responsive materials based on self-assembled π-systems, which are also called smart materials. The present thesis is divided into four chapters

Thermo-responsive microphase separated supramolecular polyurethanes

The ability to generate very stable assemblies via non-covalent interactions has enabled materials to be constructed that were not feasible via traditional covalent bond formation processes. A series of low molecular mass bisurethane and bisurea polymers have been developed that form stable self-assembled networks through hydrogen bonding interactions. Thermo-responsive polymers were generated by end-capping poly(ethylene-co-butylene) or polybutadiene chains with the bisurethane or bisurea motif. Microphase separation is observed via TEM and small-angle X-ray scattering (SAXS) for the modified pseudo polymers and significant differences in the temperature dependence of microphase separation are analysed via SAXS. The importance of the polarity of the end groups is manifested in distinct temperature-dependent microphase separation behaviour. Information on the local hydrogen bonding structure is provided by wide-angle X-ray scattering and variable temperature FTI

A novel self-healing supramolecular polymer system

Utilising supramolecular pi-pi stacking interactions to drive miscibility in two-component polymer blends offers a novel approach to producing materials with unique properties. We report in this paper the preparation of a supramolecular polymer network that exploits this principle. A low molecular weight polydiimide which contains multiple pi-electron-poor receptor sites along its backbone forms homogeneous films with a siloxane polymer that features pi-electron-rich pyrenyl end-groups. Compatibility results from a complexation process that involves chain-folding of the polydiimide to create an optimum binding site for the pi-electron-rich chain ends of the polysiloxane. These complementary pi-electron-rich and -poor receptors exhibit rapid and reversible complexation behaviour in solution, and healable characteristics in the solid state in response to temperature. A mechanism is proposed for this thermoreversible healing behaviour that involves disruption of the intermolecular pi-pi stacking cross-links as the temperature of the supramolecular film is increased. The low T-g siloxane component can then flow and as the temperature of the blend is decreased, pi-pi stacking interactions drive formation of a new network and so lead to good damage-recovery characteristics of the two-component blend.

Supramolecular helix and beta-sheet through self-assembly of two isomeric tetrapeptides in crystals and formation of filaments and ribbons in the solid state

Single crystal X-ray diffraction studies show that the beta-turn structure of tetrapeptide I, Boc-Gly-Phe-Aib-Leu-OMe (Aib: alpha-amino isobutyric acid) self-assembles to a supramolecular helix through intermolecular hydrogen bonding along the crystallographic a axis. By contrast the beta-turn structure of an isomeric tetrapeptide II, Boc-Gly-Leu-Aib-Phe-OMe self-assembles to a supramolecular beta-sheet-like structure via a two-dimensional (a, b axis) intermolecular hydrogen bonding network and pi-pi interactions. FT-IR studies of the peptides revealed that both of them form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular structures in the solid state. Field emission scanning electron micrographs (FE-SEM) of the dried fibrous materials of the peptides show different morphologies, non-twisted filaments in case of peptide I and non-twisted filaments and ribbon-like structures in case of peptide II.

Facile bisurethane supramolecular polymers containing flexible alicyclic receptor units

This paper details the synthesis, characterisation and physical analyses of a series of hydrogen bonded urethane supramolecular polymer systems that are created by a facile one-step synthesis from inexpensive and commercially available starting materials. We report the synthesis and characterisation of a series of low molecular weight bisurethanes (<650 a.m.u.) that exhibit physical properties in the bulk that are characteristic of polyurethane materials possessing far higher molecular weight. The physical characteristics of these low molecular weight bisurethanes were investigated by using temperature-dependent rheological analysis and viscometry and the nature in which these compounds assembled was assessed using IR and NMR spectroscopies. These studies reveal that these simple bisurethanes self-assemble via hydrogen bonding interactions.

Self-assembled healable materials through a combination of pi-pi stacking and hydrogen bonding

The discovery of polymers with stimuli responsive physical properties is a rapidly expanding area of research. At the forefront of the field are self-healing polymers, which, when fractured can regain the mechanical properties of the material either autonomically, or in response to a stimulus. It has long been known that it is possible to promote healing in conventional thermoplastics by heating the fracture zone above the Tg of the polymer under pressure. This process requires reptation and subsequent re-entanglement of macromolecules across the fracture void, which serves to bridge, and ‘heal’ the crack. The timescale for this mechanism is highly dependent on the molecular weight of the polymer being studied. This process is in contrast to that required to affect healing in supramolecular polymers such as the plasticised, hydrogen bonded elastomer reported by Leibler et al. The disparity in bond energies between the non-covalent and covalent bonds within supramolecular polymers results in fractures propagating through scission of the comparatively weak supramolecular interactions, rather than through breaking the stronger, covalent bonds. Thus, during the healing process the macromolecules surrounding the fracture site only need sufficient energy to re-engage their supramolecular interactions in order to regenerate the strength of the pristine material. Herein we describe the design, synthesis and optimization of a new class of supramolecular polymer blends that harness the reversible nature of pi-pi stacking and hydrogen bonding interactions to produce self-supporting films with facile healable characteristics.