Thermal detemplation of SBA-15 mesophases. Effect of the activation protocol on the framework contraction

The potential use of the solvothermal extraction (SE) as a preliminary step to calcination for detemplating SBA-15 mesophases is investigated; aiming to reduce the amount of organics to be burnt and thereby the corresponding structural shrinkage. A systematic study was carried out by soxhlet extraction on mesophases hydrothermally aged between 90 and 130 C. The mesophases containing variable amounts of template were then treated by calcination or pyrolysis/calcination. TGA was applied to quantify the template amount after the various treatments. The as obtained materials were characterized by SAXS and Ar ad/desorption for structural and textural information while 1H NMR gave information about the integrity of the as-recycled template. The study shows that solvothermal conditions remove considerably the template, typically from 50 to 10-20 wt.%, mainly extracted from the primary mesopores. Possible reuse of the extracted template is questionable as it is poor in polyethyleneoxide compared to the synthesis block-copolymer, Pluronic P123. For all thermal protocols applied (direct calcination, calcination after solvent-extraction or pyrolysis/calcination after solvent extraction), the thermal shrinkage decreases with the aging temperature; that is consistent with the condensation degree of the silica. For each mesophase, it was found that the thermal shrinkage becomes less pronounced when the material is fully templated; thus the template can serve as structural support or can control the mass transfer of O2 and thereby the oxidation rate of the template burning. © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

POLYMER-NANOPARTICLE COMPOSITES FOR APPLICATIONS IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The aim of this dissertation was to investigate flexible polymer-nanoparticle composites with unique magnetic and electrical properties. Toward this goal, two distinct projects were carried out. The first project explored the magneto-dielectric properties and morphology of flexible polymer-nanoparticle composites that possess high permeability (µ), high permittivity (ε) and minimal dielectric, and magnetic loss (tan δε, tan δµ). The main materials challenges were the synthesis of magnetic nanoparticle fillers displaying high saturation magnetization (Ms), limited coercivity, and their homogeneous dispersion in a polymeric matrix. Nanostructured magnetic fillers including polycrystalline iron core-shell nanoparticles, and constructively assembled superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized, and dispersed uniformly in an elastomer matrix to minimize conductive losses. The resulting composites have demonstrated promising permittivity (22.3), permeability (3), and sustained low dielectric (0.1), magnetic (0.4) loss for frequencies below 2 GHz. This study demonstrated nanocomposites with tunable magnetic resonance frequency, which can be used to develop compact and flexible radio frequency devices with high efficiency. The second project focused on fundamental research regarding methods for the design of highly conductive polymer-nanoparticle composites that can maintain high electrical conductivity under tensile strain exceeding 100%. We investigated a simple solution spraying method to fabricate stretchable conductors based on elastomeric block copolymer fibers and silver nanoparticles. Silver nanoparticles were assembled both in and around block copolymer fibers forming interconnected dual nanoparticle networks, resulting in both in-fiber conductive pathways and additional conductive pathways on the outer surface of the fibers. Stretchable composites with conductivity values reaching 9000 S/cm maintained 56% of their initial conductivity after 500 cycles at 100% strain. The developed manufacturing method in this research could pave the way towards direct deposition of flexible electronic devices on any shaped substrate. The electrical and electromechanical properties of these dual silver nanoparticle network composites make them promising materials for the future construction of stretchable circuitry for displays, solar cells, antennas, and strain and tactility sensors.

Dielectric studies of Liquid Crystal Nanocomposites and Nanomaterial systems.

Liquid crystals (LCs) have revolutionized the display and communication technologies. Doping of LCs with inorganic nanoparticles such as carbon nanotubes, gold nanoparticles and ferroelectric nanoparticles have garnered the interest of research community as they aid in improving the electro-optic performance. In this thesis, we examine a hybrid nanocomposite comprising of 5CB liquid crystal and block copolymer functionalized barium titanate ferroelectric nanoparticles. This hybrid system exhibits a giant soft-memory effect. Here, spontaneous polarization of ferroelectric nanoparticles couples synergistically with the radially aligned BCP chains to create nanoscopic domains that can be rotated electromechanically and locked in space even after the removal of the applied electric field. The resulting non-volatile memory is several times larger than the non-functionalized sample and provides an insight into the role of non-covalent polymer functionalization. We also present the latest results from the dielectric and spectroscopic study of field assisted alignment of gold nanorods.

Synthetic biology in droplet-based microfluidics

Droplet microfluidics is an active multidisciplinary area of research that evolved out of the larger field of microfluidics. It enables the user to handle, process and manipulate micrometer-sized emulsion droplets on a micro- fabricated platform. The capability to carry out a large number of individual experiments per unit time makes the droplet microfluidic technology an ideal high-throughput platform for analysis of biological and biochemical samples. The objective of this thesis was to use such a technology for designing systems with novel implications in the newly emerging field of synthetic biology. Chapter 4, the first results chapter, introduces a novel method of droplet coalescence using a flow-focusing capillary device. In Chapter 5, the development of a microfluidic platform for the fabrication of a cell-free micro-environment for site-specific gene manipulation and protein expression is described. Furthermore, a novel fluorescent reporter system which functions both in vivo and in vitro is introduced in this chapter. Chapter 6 covers the microfluidic fabrication of polymeric vesicles from poly(2-methyloxazoline-b-dimethylsiloxane-b-2-methyloxazoline) tri-block copolymer. The polymersome made from this polymer was used in the next Chapter for the study of a chimeric membrane protein called mRFP1-EstA∗. In Chapter 7, the application of microfluidics for the fabrication of synthetic biological membranes to recreate artificial cell- like chassis structures for reconstitution of a membrane-anchored protein is described.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Effect of binary block-selective solvents on self-assembly of ABA triblock copolymer in dilute solution

We have studied the self-assembly of the ABA triblock copolymer (P4VP-b-PS-b-P4VP) in dilute solution by using binary block-selective solvents, that is, water and methanol. The triblock copolymer was first dissolved in dioxane to form a homogeneous solution. Subsequently, a given volume of selective solvent was added slowly to the solution to induce self-assembly of the copolymer. It was found that the copolymer (P4VP(43)-b-PS366-b-P4VP(43)) tended to form spherical aggregate or bilayer structure when we used methanol or water as the single selective solvent, respectively.

Formation of reversible shell cross-linked micelles from the biodegradable amphiphilic diblock copolymer poly(L-cysteine)-block-poly(L-lactide)

A novel biodegradable diblock copolymer, poly(L-cysteine)-b-Poly(L-lactide) (PLC-b-PLLA), was synthesized by ring-opening polymerization (ROP) of N-carboxyanhydride of beta-benzyloxycarbonyl-L-Cysteine (ZLC-NCA) with amino-terminated Poly(L-lactide) (NH2-PLLA) as a macroinitiator in a convenient way. The diblock copolymer and its precursor were characterized by H-1 NMR, Fourier transform infrared (FT-IR), gel permeation chromatography (GPC), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements. The length of each block polymer could be tailored by molecular design and the ratios of feeding monomers.

Order-Order Transition of C -> sdG -> sL -> S in ABC Triblock Copolymer Thin Film Induced by Solvent Vapor

The morphology transition of polystyrene-block-poly(butadiene)-block-poly(2-vinylpyridine) (SBV) triblock thin film induced in benzene vapor showing weak selectivity for PS is investigated. The order-order transitions (OOT) in the sequence of core-shell cylinders (C), sphere in 'diblock gyroid' (sdG), sphere in lamella (sL) and sphere (S) are observed. The projection along (111) direction in Gyroid phase (sdG(111)) is found to epitaxially grow from C(001) in the film.

Compositional dependence of the microphase separation transition in styrene-butadiene-styrene triblock copolymer/polystyrene blends

The change in the microphase separation transition (MST) temperature of a styrene-butadiene-styrene (SBS) triblock copolymer induced by the addition of polystyrene (PS) was investigated by small-angle X-ray scattering. It was found that the transition temperature was determined from the molecular weight (M(H)) Of the added PS in relation to that of the corresponding blocks (M(A)) in the copolymer. The MST temperature decreased with added PS if M(H)/M(A) < 1/4, while it increased with added PS when M(H)/M(A) > 1/4 Analysis of the theoretical expression based on the random phase approximation showed exactly the same tendency of change in the transition temperatures as that observed experimentally. The interaction parameter, chi(SB), obtained by nonlinear fitting of the scattering profiles of SBS/PS blends in the disordered state, was found to be a function of temperature and composition. Composition fluctuations were found to exist in SBS/PS blends, increasing with increasing addition of PS but diminishing with increasing molecular weight of the added PS.

Micellar and surface properties of a poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) copolymer in aqueous solution

Critical micelle concentrations (cmc) of aqueous solutions of poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) were determined at several temperatures by surface tensiometry. Below the lower critical solution temperature (LCST), the low Delta(mic) H-0 determined can be assigned to the PMMA block being tightly coiled in the dispersed molecular state, so that the unfavorable interactions of hydrophobic entities with water are minimized. Above the LCST the cmc value was found to increase; an anomalous behavior that can be directly related to the micelle-globule transition of the hydrophilic block. Interestingly, above the LCST the surface tension of relatively concentrated solutions was found to depend weakly on temperature not following the usual strong decrease with temperature expected for aqueous solutions. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Highly asymmetric phase diagram of a poly(1,2-octylene oxide)-poly(ethylene oxide) diblock copolymer system comprising a brush-like poly(1,2-octylene oxide) block

The phase diagram of a series of poly(1,2-octylene oxide)-poly(ethylene oxide) (POO-PEO) diblock copolymers is determined by small-angle X-ray scattering. The Flory-Huggins interaction parameter was measured by small-angle neutron scattering. The phase diagram is highly asymmetric due to large conformational asymmetry that results from the hexyl side chains in the POO block. Non-lamellar phases (hexagonal and gyroid) are observed near f(PEO) = 0.5, and the lamellar phase is observed for f(PEO) >= 0.5.

Monte Carlo field-theoretic simulations for melts of symmetric diblock copolymer

Monte Carlo field-theoretic simulations (MCFTS) are performed on melts of symmetric diblock copolymer for invariant polymerization indexes extending down to experimentally relevant values of N̅ ∼ 10^4. The simulations are performed with a fluctuating composition field, W_−(r), and a pressure field, W_+(r), that follows the saddle-point approximation. Our study focuses on the disordered-state structure function, S(k), and the order−disorder transition (ODT). Although shortwavelength fluctuations cause an ultraviolet (UV) divergence in three dimensions, this is readily compensated for with the use of an effective Flory−Huggins interaction parameter, χ_e. The resulting S(k) matches the predictions of renormalized one-loop (ROL) calculations over the full range of χ_eN and N̅ examined in our study, and agrees well with Fredrickson−Helfand (F−H) theory near the ODT. Consistent with the F−H theory, the ODT is discontinuous for finite N̅ and the shift in (χ_eN)_ODT follows the predicted N̅^−1/3 scaling over our range of N̅.

3,6-Di(furan-2-yl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione and bithiophene copolymer with rather disordered chain orientation showing high mobility in organic thin film transistors

Pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione or diketopyrrolopyrrole (DPP) is a useful electron-withdrawing fused aromatic moiety for the preparation of donor-acceptor polymers as active semiconductors for organic electronics. This study uses a DPP-furan-containing building block, 3,6-di(furan-2-yl)pyrrolo[3,4- c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione (DBF), to couple with a 2,2′-bithiophene unit, forming a new donor-acceptor copolymer, PDBFBT. Compared to its structural analogue, 3,6-di(thiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione (DBT), DBF is found to cause blue shifts of the absorption spectra both in solution and in thin films and a slight reduction of the highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level of the resulting PDBFBT. Despite the fact that its thin films are less crystalline and have a rather disordered chain orientation in the crystalline domains, PDBFBT shows very high hole mobility up to 1.54 cm 2 V-1 s-1 in bottom-gate, top-contact organic thin film transistors.