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.

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.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

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

Synthesis and Aggregation Behavior of Pluronic F87/Poly(acrylic acid) Block Copolymer with Doxorubicin

Poly(acrylic acid) (PAA) was grafted onto both termini of Pluronic F87 (PEO₆₇-PPO₃₉-PEO₆₇) via atom transfer radical polymerization to produce a novel muco-adhesive block copolymer PAA₈₀-b-F₈₇-b-PAA₈₀. It was observed that PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ forms stable complexes with weakly basic anti-cancer drug, Doxorubicin. Thermodynamic changes due to the drug binding to the copolymer were assessed at different pH by isothermal titration calorimetry (ITC). The formation of the polymer/drug complexes was studied by turbidimetric titration and dynamic light scattering. Doxorubicin and PAA-b-F87-b-PAA block copolymer are found to interact strongly in aqueous solution via non-covalent interactions over a wide pH range. At pH>4.35, drug binding is due to electrostatic interactions. Hydrogen-bond also plays a role in the stabilization of the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀/DOX complex. At pH 7.4 (α=0.8), the size and stability of polymer/drug complex depend strongly on the doxorubicin concentration. When CDOX <0.13mM, the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ copolymer forms stable inter-chain complexes with DOX (110 ~ 150 nm). When CDOX >0.13mM, as suggested by the light scattering result, the reorganization of the polymer/drug complex is believed to occur. With further addition of DOX (CDOX >0.34mM), sharp increase in the turbidity indicates the formation of large aggregates, followed by phase separation. The onset of a sharp enthalpy increase corresponds to the formation of a stoichiometric complex.

Self assembly of a model amphiphilic phenylalanine peptide/polyethylene glycol block copolymer in aqueous solution

There has been great interest recently in peptide amphiphiles and block copolymers containing biomimetic peptide sequences due to applications in bionanotechnology. We investigate the self-assembly of the peptide-PEG amphiphile FFFF-PEG5000 containing the hydrophobic sequence of four phenylalanine residues conjugated to PEG of molar mass 5000. This serves as a simple model peptide amphiphile. At very low concentration, association of hydrophobic aromatic phenylalanine residues occurs, as revealed by circular dichroism and UV/vis fluorescence experiments. A critical aggregation concentration associated with the formation of hydrophobic domains is determined through pyrene fluorescence assays. At higher concentration, defined beta-sheets develop as revealed by FTIR spectroscopy and X-ray diffraction. Transmission electron microscopy reveals self-assembled straight fibril structures. These are much shorter than those observed for amyloid peptides, the finite length may be set by the end cap energy due to the hydrophobicity of phenylalanine. The combination of these techniques points to different aggregation processes depending on concentration. Hydrophobic association into irregular aggregates occurs at low concentration, well-developed beta-sheets only developing at higher concentration. Drying of FFFF-PEG5000 solutions leads to crystallization of PEG, as confirmed by polarized optical microscopy (POM), FTIR and X-ray diffraction (XRD). PEG crystallization does not disrupt local beta-sheet structure (as indicated by FTIR and XRD). However on longer lengthscales the beta-sheet fibrillar structure is perturbed because spheruilites from PEG crystallization are observed by POM. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structure and rheology of aqueous micellar solutions and gels formed from an associative poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer

The structure and shear flow behaviour of aqueous micellar solutions and gels formed by an amphiphilic poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer with a lengthy hydrophilic poly(oxyethylene) block has been investigated by rheology, small angle neutron scattering (SANS) and small-angle X-ray scattering (SAXS). SANS revealed that bridging of chains between micelles introduces, in the micellar solution, an attractive long-range component which can be described through a potential of interaction corresponding to sticky soft spheres. The strength of the attractive interaction increases with increasing concentration. Rheology showed that the dependence of the storage modulus with temperature can be explained as a function of the micellar bridging, micellisation and phase morphology. SAXS studies showed that the orientation adopted by the system in the get phase under shear is similar to that previously observed by us for the gel phase of a poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) diblock copolymer with a long poly(oxyethylene) chain, suggesting that the micellar corona/core length ratio and not the architecture of the block copolymer influences the alignment of the gel phase under shear.

Pressure effects revealed by small angle neutron scattering on block copolymer gels

We study the effects of hydrostatic pressure (P) on aqueous solutions and gels of the block copolymer B20E610 (E, oxyethylene; B, oxybutylene; subscripts, number of repeats), by performing simultaneous small angle neutron scattering/pressure experiments. Micellar cubic gels were studied for 9.5 and 4.5 wt% B20E610 at T = 20-80 and 35-55 degrees C, respectively, while micellar isotropic solutions where Studied for 4.5 wt% B20E610 at T > 55 degrees C. We observed that the interplanar distance d(110) (cubic unit cell parameter a = root 2d(110)) decreases while the correlation length of the Cubic order (delta) increases, upon increasing P at a fixed T for 9.5 wt% B20E610. The construction of master Curves for d(110) and delta corresponding to 9.5 wt% B20E610 proved the correlation between changes in T and P. Neither d(110) and delta nor the cubic-isotropic phase transition temperature was affected by the applied pressure for 4.5 wt% B20E610. The dramatic contrast between the pressure-induced behavior observed for 9.5 and 4.5 wt% B20E610 suggests that pressure induced effects might be more effectively transmitted through samples that present wider domains of cubic structure order (9.5 wt% compared to 4.5 wt% B20E610).

Wormlike micelle formation and flow alignment of a pluronic block copolymer in aqueous solution

The self-assembly into wormlike micelles of a poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) triblock copolymer Pluronic P84 in aqueous salt solution (2 M NaCl) has been studied by rheology, small-angle X-ray and neutron scattering (SAXS/SANS), and light scattering. Measurements of the flow curves by controlled stress rheometry indicated phase separation under flow. SAXS on solutions subjected to capillary flow showed alignment of micelles at intermediate shear rates, although loss of alignment was observed for high shear rates. For dilute solutions, SAXS and static light scattering data on unaligned samples could be superposed over three decades in scattering vector, providing unique information on the wormlike micelle structure over several length scales. SANS data provided information on even shorter length scales, in particular, concerning "blob" scattering from the micelle corona. The data could be modeled based on a system of semiflexible self-avoiding cylinders with a circular cross-section, as described by the wormlike chain model with excluded volume interactions. The micelle structure was compared at two temperatures close to the cloud point (47 degrees C). The micellar radius was found not to vary with temperature in this region, although the contour length increased with increasing temperature, whereas the Kuhn length decreased. These variations result in an increase of the low-concentration radius of gyration with increasing temperature. This was consistent with dynamic light scattering results, and, applying theoretical results from the literature, this is in agreement with an increase in endcap energy due to changes in hydration of the poly(ethylene oxide) blocks as the temperature is increased.

An investigation into the extraction of americium(III), lanthanides and D-block metals by 6,6 '-bis-(5,6-dipentyl-[1,2,4]triazin-3-yl)-[2,2 ']bipyridinyl(C-5-BTBP)

The tetradentate ligand (C-5-BTBP) was able to extract americium(III) selectively from nitric acid. In octanol/kerosene the distribution ratios suggest that stripping will be possible. C-5-BTBP has unusual properties and potentially offers a means of separating metals, which otherwise are difficult to separate. For example C-5-BTBP has the potential to separate paliadium(II) from a mixture containing rhodium(III) and ruthenium(H) nitrosyl. In addition, C-5-BTBP has the potential to remove traces of cadmium from effluent or from solutions of other metals contaminated with cadmium. C-5-BTBP has potential as a reagent for the separation of americium(III) from solutions contaminated with iron(III) and nickel(II), hence offering a means of concentrating americium(III) for analytical purposes from nitric acid solutions containing high concentrations of iron(III) or nickel(II).

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.

Interactions of bovine serum albumin with ethylene oxide/butylene oxide copolymers in aqueous solution

The interactions of bovine serum albumin (BSA) with three ethylene oxide/butylene oxide (E/B) copolymers having different block lengths and varying molecular architectures is examined in this study in aqueous solutions. Dynamic light scattering (DLS) indicates the absence of BSA-polymer binding in micellar systems of copolymers with lengthy hydrophilic blocks. On the contrary, stable protein-polyrner aggregates were observed in the case of E18B10 block copolymer. Results from DLS and SAXS suggest the dissociation of E/B copolymer micelles in the presence of protein and the absorption of polymer chains to BSA surface. At high protein loadings, bound BSA adopts a more compact conformation in solution. The secondary structure of the protein remains essentially unaffected even at high polymer concentrations. Raman spectroscopy was used to give insight to the configurations of the bound molecules in concentrated solutions. In the vicinity of the critical gel concentration of E18B10 introduction of BSA can dramatically modify the phase diagram, inducing a gel-sol-gel transition. The overall picture of the interaction diagram of the E18B10-BSA reflects the shrinkage of the suspended particles due to destabilization of micelles induced by BSA and the gelator nature of the globular protein. SAXS and rheology were used to further characterize the structure and flow behavior of the polymer-protein hybrid gels and sols.

Interactions of an anionic surfactant with poly(oxyalkylene) copolymers in aqueous solution

The interactions of sodium dodecyl sulfate (SDS) with poly(ethylene oxide)/poly(alkylene oxide) (E/A) block copolymers are explored in this study: With respect to the specific compositional characteristics of the copolymer, introduction of SDS can induce fundamentally different effects to the self-assembly behavior of E/A copolymer solutions. In the case of the E18B10-SDS system (E = poly(ethylene oxide) and B = poly(butylene oxide)) development of large surfactant-polymer aggregates was observed. In the case of B20E610-SDS, B12E227B12-SDS, E40B10E40-SDS, E19P43E19-SDS (P = poly(propylene oxide)), the formation of smaller particles compared to pure polymeric micelles points to micellar suppression induced by the ionic surfactant. This effect can be ascribed to a physical binding between the hydrophobic block of unassociated macromolecules and the non-polar tail of the surfactant. Analysis of critical micelle concentrations (cmc*) of polymer-surfactant aqueous solutions within the framework of regular solution theory for binary surfactants revealed negative deviations from ideal behavior for E40B10E40-SDS and E19P43E19-SDS, but positive deviations for E18B10-SDS. Ultrasonic studies performed for the E19P43E19-SDS system enabled the identification of three distinct regions, corresponding to three main steps of the complexation; SDS absorption to the hydrophobic backbone of polymer, development of polymer-surfactant complexes and gradual breakdown of the mixed aggregates. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.