L'orientation et la propriété de mémoire de forme des polymères cristallins liquides à chaînes latérales covalents et supramoléculaires

In many studies of the side-chain liquid crystalline polymers (SCLCPs) bearing azobenzene mesogens as pendant groups, obtaining the orientation of azobenzene mesogens at a macroscopic scale as well as its control is important, because it impacts many properties related to the cooperative motion characteristic of liquid crystals and the trans-cis photoisomerization of the azobenzene molecules. Various means can be used to align the mesogens in the polymers, including rubbed surface, mechanical stretching or shearing, and electric or magnetic field. In the case of azobenzene-containing SCLCPs, another method consists in using linearly polarized light (LPL) to induce orientation of azobenzene mesogens perpendicular to the polarization direction of the excitation light, and such photoinduced orientation has been the subject of numerous studies. In the first study realized in this thesis (Chapter 1), we carried out the first systematic investigation on the interplay of the mechanically and optically induced orientation of azobenzene mesogens as well as the effect of thermal annealing in a SCLCP and a diblock copolymer comprising two SCLCPs bearing azobenzene and biphenyl mesogens, respectively. Using a supporting-film approach previously developed by our group, a given polymer film can be first stretched in either the nematic or smectic phase to yield orientation of azobenzene mesogens either parallel or perpendicular to the strain direction, then exposed to unpolarized UV light to erase the mechanically induced orientation upon the trans–cis isomerization, followed by linearly polarized visible light for photoinduced reorientation as a result of the cis–trans backisomerization, and finally heated to different LC phases for thermal annealing. Using infrared dichroism to monitor the change in orientation degree, the results of this study have unveiled complex and different orientational behavior and coupling effects for the homopolymer of poly{6-[4-(4-methoxyphenylazo)phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA) and the diblock copolymer of PAzMA-block- poly{6-[4-(4-cyanophenyl) phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA-PBiPh). Most notably for the homopolymer, the stretching-induced orientation exerts no memory effect on the photoinduced reorientation, the direction of which is determined by the polarization of the visible light regardless of the mechanically induced orientation direction in the stretched film. Moreover, subsequent thermal annealing in the nematic phase leads to parallel orientation independently of the initial mechanically or photoinduced orientation direction. By contrast, the diblock copolymer displays a strong orientation memory effect. Regardless of the condition used, either for photoinduced reorientation or thermal annealing in the liquid crystalline phase, only the initial stretching-induced perpendicular orientation of azobenzene mesogens can be recovered. The reported findings provide new insight into the different orientation mechanisms, and help understand the important issue of orientation induction and control in azobenzene-containing SCLCPs. The second study presented in this thesis (Chapter 2) deals with supramolecular side-chain liquid crystalline polymers (S-SCLCPs), in which side-group mesogens are linked to the chain backbone through non-covalent interactions such as hydrogen bonding. Little is known about the mechanically induced orientation of mesogens in S-SCLCPs. In contrast to covalent SCLCPs, free-standing, solution-cast thin films of a S-SCLCP, built up with 4-(4’-heptylphenyl) azophenol (7PAP) H-bonded to poly(4-vinyl pyridine) (P4VP), display excellent stretchability. Taking advantage of this finding, we investigated the stretching-induced orientation and the viscoelastic behavior of this S-SCLCP, and the results revealed major differences between supramolecular and covalent SCLCPs. For covalent SCLCPs, the strong coupling between chain backbone and side-group mesogens means that the two constituents can mutually influence each other; the lack of chain entanglements is a manifestation of this coupling effect, which accounts for the difficulty in obtaining freestanding and mechanically stretchable films. Upon elongation of a covalent SCLCP film cast on a supporting film, the mechanical force acts on the coupled polymer backbone and mesogenic side groups, and the latter orients cooperatively and efficiently (high orientation degree), which, in turn, imposes an anisotropic conformation of the chain backbone (low orientation degree). In the case of the S-SCLCP of P4VP-7PAP, the coupling between the side-group mesogens and the chain backbone is much weakened owing to the dynamic dissociation/association of the H-bonds linking the two constituents. The consequence of this decoupling is readily observable from the viscoelastic behavior. The average molecular weight between entanglements is basically unchanged in both the smectic and isotropic phase, and is similar to non-liquid crystalline samples. As a result, the S-SCLCP can easily form freestanding and stretchable films. Furthermore, the stretching induced orientation behavior of P4VP-7PAP is totally different. Stretching in the smectic phase results in a very low degree of orientation of the side-group mesogens even at a large strain (500%), while the orientation of the main chain backbone develops steadily with increasing the strain, much the same way as amorphous polymers. The results imply that upon stretching, the mechanical force is mostly coupled to the polymer backbone and leads to its orientation, while the main chain orientation exerts little effect on orienting the H-bonded mesogenic side groups. This surprising finding is explained by the likelihood that during stretching in the smectic phase (at relatively higher temperatures) the dynamic dissociation of the H-bonds allow the side-group mesogens to be decoupled from the chain backbone and relax quickly. In the third project (Chapter 3), we investigated the shape memory properties of a S-SCLCP prepared by tethering two azobenzene mesogens, namely, 7PAP and 4-(4'-ethoxyphenyl) azophenol (2OPAP), to P4VP through H-bonding. The results revealed that, despite the dynamic nature of the linking H-bonds, the supramolecular SCLCP behaves similarly to covalent SCLCP by exhibiting a two-stage thermally triggered shape recovery process governed by both the glass transition and the LC-isotropic phase transition. The ability for the supramolecular SCLCP to store part of the strain energy above T[subscript g] in the LC phase enables the triple-shape memory property. Moreover, thanks to the azobenzene mesogens used, which can undergo trans-cis photoisomerization, exposure the supramolecular SCLCP to UV light can also trigger the shape recovery process, thus enabling the remote activation and the spatiotemporal control of the shape memory. By measuring the generated contractile force and its removal upon turning on and off the UV light, respectively, on an elongated film under constant strain, it seems that the optically triggered shape recovery stems from a combination of a photothermal effect and an effect of photoplasticization or of an order-disorder phase transition resulting from the trans-cis photoisomerization of azobenzene mesogens.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.