New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

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.

Photoconductivity in molecularly doped poly (methylmethacrylate) sandwich cells

Poly(methyl)methacrylate was made photoconducting by molecular doping and the photoconductivity was investigated using modulated photocurrent technique . Low-temperature current-voltage measurements showed that the transport mechanism was thermally activated hopping. An experimental investigation of the photoconductivity action spectrum along with theoretical calculation enabled an estimation of the diffusion coefficient of the material. The presence of states with a distribution of lifetimes could be understood from the frequency response of the photocurrent . The photocurrent was due to the field-assisted dissociation of these states

Photoconductivity in Molecularly Doped Poly (methylmethacrylate)Sandwich Cells

Poly(methyl)methacrylate was made photoconducting by molecular doping and the photoconductivity was investigated using modulated photocurrent technique . Low-temperature current-voltage measurements showed that the transport mechanism was thermally activated hopping. An experimental investigation of the photoconductivity action spectrum along with theoretical calculation enabled an estimation of the diffusion coefficient of the material. The presence of states with a distribution of lifetimes could be understood from the frequency response of the photocurrent . The photocurrent was due to the field-assisted dissociation of these states.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Development of Photorefractive Polymers: Evaluation of Photoconducting and Electro-optic Properties

This Thesis discussed molecules suitable for photorefractive effect. Out of the molecules studied, only one system was used to make photorefractive polymers system. Other molecules, especially, the electro-optic polymer, Poly(3-methacrloyl-1-(4'-nitro-4-azo-1'-phenyl)phenylalanine-co- methyl methacrylate) can be subjected to more detailed studies to explore the possibilities of using them for electro-optic applications. Though not included in the thesis, the efficient photoconductor, Poly(6-tert-butyl-3- phenyl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) sensitized with C60, which was described in Chapter 3 showed a low magnitude photovoltaic effect. This hints at the possibility of using this system for organic solar cells also. The thesis presented the initial observation of photorefractive effect in a polybenzoxazine based polymer system. A detailed analysis of the effect of C60, ECZ and DR1 can be carried out to check for the possibility of a high efficiency photorefractive system.

A comparative study of energy transfer in dye mixtures in monomer and polymer matrices under pulsed laser excitation

This study was conducted to identify the concentration dependence of the operating wavelengths and the relative intensities in which a dye mixture doped polymer optical fibre can operate. A comparative study of the radiative and Forster type energy transfer processes in Coumarin 540:Rhodamine 6G, Coumarin 540:Rhodamine B and Rhodamine 6G:Rhodamine B in methyl methacrylate (MMA) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) was done by fabricating a series of dye mixture doped polymer rods which have two emission peaks with varying relative intensities. These rods can be used as preforms for the fabrication of polymer optical fibre amplifiers operating in the multi-wavelength regime. The 445 nm line from an Nd:YAG pumped optical parametric oscillator (OPO) was used as the excitation source for the first two dye pairs and a frequency doubled Nd:YAG laser emitting at 532 nm was used to excite the Rh 6G:Rh B pair. The fluorescence lifetimes of the donor molecule in pure form as well as in the mixtures were experimentally measured in both monomer and polymer matrices by time-correlated single photon counting technique. The energy transfer rate constants and transfer efficiencies were calculated and their dependence on the acceptor concentration was analysed. It was found that radiative energy transfer mechanisms are more efficient in all the three dye pairs in liquid and solid matrices.

Excitation wavelength dependence of energy transfer in dye mixture doped polymer optical fibre preforms

Dependence of energy transfer parameters on excitation wavelength has been investigated in poly (methyl methacrylate) (PMMA) optical fibre preforms doped with C 540:Rh B dye mixture by studying the fluorescence intensity and the lifetime variations. A fluorescence spectrophotometer was used to record the excitation spectra of the samples for the emission wavelengths 495 and 580 nm. The fluorescence emission from the polymer rods was studied at four specific excitation wavelengths viz; 445, 465, 488 and 532 nm. The fluorescence lifetime of the donor molecule was experimentally measured in polymer matrix by time correlated single photon counting technique. The energy transfer rate constants and transfer efficiencies were calculated and their dependence on the acceptor concentration was analysed for three excitation wavelengths. It was found that any change in the excitation wavelength leads to significant variations in the quenching characteristics, which in turn affect the calculated energy transfer parameters.

Studies on Fluorescence Efficiency and Photodegradation of Rhodamine 6G Doped PMMA Using a Dual Beam Thermal Lens Technique

In this paper we report the use of the dual beam thermal lens technique as a quantitative method to determine absolute fluorescence quantum efficiency and concentration quenching of fluorescence emission from rhodamine 6G doped Poly(methyl methacrylate) (PMMA), prepared with different concentrations of the dye. A comparison of the present data with that reported in the literature indicates that the observed variation of fluorescence quantum yield with respect to the dye concentration follows a similar profile as in the earlier reported observations on rhodamine 6G in solution. The photodegradation of the dye molecules under cw laser excitation is also studied using the present method.

Multimode laser emission from dye doped polymer optical fiber

Multimode laser emission is observed in a polymer optical fiber doped with a mixture of Rhodamine 6G (Rh 6G) and Rhodamine B (Rh B) dyes. Tuning of laser emission is achieved by using the mixture of dyes due to the energy transfer occurring from donor molecule (Rh 6G) to acceptor molecule (Rh B). The dye doped poly(methyl methacrylate)-based polymer optical fiber is pumped axially at one end of the fiber using a 532 nm pulsed laser beam from a Nd:YAG laser and the fluorescence emission is collected from the other end. At low pump energy levels, fluorescence emission is observed. When the energy is increased beyond a threshold value, laser emission occurs with a multimode structure. The optical feedback for the gain medium is provided by the cylindrical surface of the optical fiber, which acts as a cavity. This fact is confirmed by the mode spacing dependence on the diameter of the fiber.

Fluorescence characterization and gain studies on a dye-doped graded index polymer optical-fiber preform

Preparation of an appropriate optical-fiber preform is vital for the fabrication of graded-index polymer optical fibers (GIPOF), which are considered to be a good choice for providing inexpensive high bandwidth data links, for local area networks and telecommunication applications. Recent development of the interfacial gel polymerization technique has caused a dramatic reduction in the total attenuation in GIPOF, and this is one of the potential methods to prepare fiber preforms for the fabrication of dye-doped polymer-fiber amplifiers. In this paper, the preparation of a dye-doped graded-index poly(methyl methacrylate) (PMMA) rod by the interfacial gel polymerization method using a PMMA tube is reported. An organic compound of high-refractive index, viz., diphenyl phthalate (DPP), was used to obtain a graded-index distribution, and Rhodamine B (Rh B), was used to dope the PMMA rod. The refractive index profile of the rod was measured using an interferometric technique and the index exponent was estimated. The single pass gain of the rod was measured at a pump wavelength of 532 nm. The extent of doping of the Rh B in the preform was studied by axially exciting a thin slice of the rod with white light and measuring the spatial variation of the fluorescence intensity across the sample.

Optical-limiting response of rare-earth metallo-phthalocyanine-doped copolymer matrix

The nanosecond optical-limiting characteristics (at 532 nm) of some rare-earth metallo-phthalocyanines (Sm(Pc)2, Eu(Pc)2, and LaPc) doped in a copolymer matrix of poly(methyl methacrylate) and methyl-2-cyanoacrylate have been studied for the first time to our knowledge. The optical-limiting response is attributed to reverse saturable absorption due to excited-state absorption. The performance of LaPc in a copolymer host is studied at different linear transmissions. The laser damage thresholds of all the samples are also reported.