CHARACTERIZATION, MORPHOLOGY AND THERMAL-PROPERTIES OF ETHYLENE PROPYLENE BLOCK COPOLYMERS

Characterization, morphology and thermal properties of commercial ethylene-propylene block copolymers have been studied by C-13 nuclear magnetic resonance (n.m.r.) spectroscopy, differential scanning calorimetry (d.s.c.), dynamic mechanical analysis (d.m.a.) and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained show that there exists some ethylene-propylene random copolymer in the block copolymers extractable by n-heptane. The possibility of forming PP-b-PE diblock copolymer is questionable on the basis of the effects of residual propene and the chain-transfer reaction in the sequential copolymerization. A difference in the thermal properties between commercial ethylene-propylene block copolymers and PP/PE blends was noticed, which cannot be used to identify PP-b-PE diblock copolymer. The multiphase structure has been confirmed by d.m.a. and SEM, with ethylene-propylene random copolymer and polyethylene forming the domains in the matrix of polypropylene.

Insertion of metal oxides into block copolymer nanopatterns as robust etch masks for nanolithography

Directed self-assembly (DSA) of block copolymers (BCPs) is a prime candidate to further extend dimensional scaling of silicon integrated circuit features for the nanoelectronic industry. Top-down optical techniques employed for photoresist patterning are predicted to reach an endpoint due to diffraction limits. Additionally, the prohibitive costs for “fabs” and high volume manufacturing tools are issues that have led the search for alternative complementary patterning processes. This thesis reports the fabrication of semiconductor features from nanoscale on-chip etch masks using “high χ” BCP materials. Fabrication of silicon and germanium nanofins via metal-oxide enhanced BCP on-chip etch masks that might be of importance for future Fin-field effect transistor (FinFETs) application are detailed.

Controlling Surface Topology and Functionality of Electrospun Fibers on the Nanoscale using Amphiphilic Block Copolymers To Direct Mesenchymal Progenitor Cell Adhesion

Surface patterning in three dimensions is of great importance in biomaterials design for controlling cell behavior. A facile one-step functionalization of biodegradable PDLLA fibers using amphiphilic diblock copolymers is demonstrated here to systematically vary the fiber surface composition. The copolymers comprise a hydrophilic poly[oligo(ethylene glycol) methacrylate] (POEGMA), poly[(2-methacryloyloxy)ethyl phosphorylcholine] (PMPC), or poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)] (PDMAEMA) block and a hydrophobic poly(l-lactide) (PLA) block. The block copolymer-modified fibers have increased surface hydrophilicity compared to that of PDLLA fibers. Mixtures of PLAPMPC and PLAPOEGMA copolymers are utilized to exploit microphase separation of the incompatible hydrophilic PMPC and POEGMA blocks at the fiber surface. Conjugation of an RGD cell-adhesive peptide to one hydrophilic block (POEGMA) using thiol-ene chemistry produces fibers with domains of cell-adhesive (POEGMA) and cell-inert (PMPC) sites, mimicking the adhesive properties of the extracellular matrix (ECM). Human mesenchymal progenitor cells (hES-MPs) showed much better adhesion to the fibers with surface-adhesive heterogeneity compared to that to fibers with only adhesive or only inert surface chemistries.

Self-assembly of PS-PVP block copolymers and their complexes at the air/water interface

Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures.

Linear block copolymers of L–lactide and 2–dimethylaminoethyl methacrylate : synthesis and properties

Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Block Copolymers of Unsaturated Polyesters and Functional Elastomers

Block copolymers of unsaturated polyester were prepared by condensation polymerization of hydroxyl or carboxyl terminated liquid rubbers with maleic anhydride, phthalic anhydride, and propylene glycol. The condensate obtained was mixed with styrene monomer to get an unsaturated polyester resin formulation. In this study, copolymers of unsaturated polyesters with hydroxy terminated polybutadiene, carboxy terminated nitrile rubber, and hydroxy terminated natural rubber were prepared. Mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus, elongation at break, toughness, impact strength, surface hardness, abrasion resistance, and water absorption were evaluated after the resin was cured in appropriate molds for comparison with the control resin. The fracture toughness and impact resistance of CTBN-modified unsaturated polyester show substantial improvement by this copolymerization without seriously affecting any other property

Nanoshells and nanotubes from block copolymers

Recent work exploring the use of block copolymer vesicles and tubules is reviewed. The stability and toughness of block copolymer vesicles are enhanced compared to those formed by low molar mass amphiphiles. Functionality can also readily be introduced through the polymer chemistry or by incorporating additional components (for example pore-forming membrane proteins). This design flexibility leads to numerous potential applications in encapsulation, in targeted drug delivery, templating of inorganic materials and many others.

Ordering in thin films of block copolymers: fundamentals to potential applications

The ordering of block copolymers in thin films is reviewed, starting, from the fundamental principles and extending to recent promising developments as templates for nanolithography which may find important applications in the semiconductor industry. Ordering in supported thin films of symmetric and asymmetric AB diblock and ABA triblock copolymers is discussed, along with that of more complex materials such as ABC triblocks and liquid crystalline block copolymers Techniques to prepare thin films, and to characterise ordering within them, are summarized. Several methods to align Hock copolymer nanostructures, important in several applications are outlined A number of potential applications in nanolithography, production of porous materials, templating. and patterning of organic and inorganic materials are then presented. The influence of crystallization on the morphology of a block copolymer film is briefly discussed, as are structures in grafted block copolymer films. (C) 2009 Elsevier Ltd All rights reserved.

Solution self-assembly of hybrid block copolymers containing poly(ethylene glycol) and amphiphilic beta-strand peptide sequences

The self-assembly in aqueous solution of hybrid block copolymers consisting of amphiphilic β-strand peptide sequences flanked by one or two PEG chains was investigated by means of circular dichroism spectroscopy, small-angle X-ray scattering, and transmission electron microscopy. In comparison with the native peptide sequence, it was found that the peptide secondary structure was stabilized against pH variation in the di-and tri-block copolymers with PEG. Small-angle X-ray scattering indicated the presence of fibrillar structures, the dimensions of which are comparable to the estimated width of a β-strand (with terminal PEG chains in the case of the copolymers). Transmission electron microscopy on selectively stained and dried specimens shows directly the presence of fibrils. It is proposed that these fibrils result from the hierarchical self-assembly of peptide β-strands into helical tapes, which then stack into fibrils.