Positioning Janus nanoparticles in block copolymer scaffolds

The periodic domains formed by block copolymer melts have been heralded as potential scaffolds for arranging nanoparticles in 3d space, provided we can control the positioning of the particles. Recent experiments have located particles at the domain interfaces by grafting mixed brushes to their surfaces. Here the underlying mechanism, which involves the transformation into Janus particles, is investigated with self-consistent field theory using a new multi-coordinate-system algorithm.

Improving polymeric microemulsions with block copolymer polydispersity

Recent experiments have demonstrated that block copolymers are capable of stabilizing immiscible homopolymer blends producing bicontinuous microemulsion. The stability of these polymeric alloys requires the copolymer to form flexible, nonattractive monolayers along the homopolymer interfaces. We predict that copolymer polydispersity can substantially and simultaneously improve the monolayers in both of these respects. Furthermore, polydispersity should provide similar improvements in systems, such as colloidal suspensions and polymer/clay composites, that utilize polymer brushes to suppress attractive interactions.

Impact of Solvent Quality on the Density Profiles of Looped Triblock Copolymer Brushes by Neutron Reflectivity Measurements

Preferential adsorption of poly(2-vinylpyridine)-deuterated polystyrene-poly(2-vinylpyridine) (PVP-dPS-PVP) triblock copolymers from toluene onto silicon leads to the formation of dPS loops tethered by the PVP end blocks. Using neutron reflectometry, we have determined the segment density profiles of these looped polymer brushes in toluene, a good solvent for the dPS block, and in cyclohexane at 20 °C (poor solvent), 32 °C, (near-Θ solvent), and 50 °C (marginal solvent). While the swelling behavior qualitatively agrees with that observed for singly grafted brushes, there are interesting differences in the local structural details: In a good solvent, the segment density profiles are composed of an inner parabolic region and a long, extended tail. In cyclohexane, the profiles are described by exponential decays. We ascribe these features to a novel polydispersity effect that arises due to tethering the PS loops by both ends. The results also show that the less dense layers undergo more significant changes in swollen height as solvent quality is changed and that the looped brushes of different molecular weight, asymmetry, and tethering density adhere to scaling relationships derived for lightly cross-linked polymer gels.

Formation of sub-7 nm feature size PS-b-P4VP block copolymer structures by solvent vapour process

The nanometer range structure produced by thin films of diblock copolymers makes them a great of interest as templates for the microelectronics industry. We investigated the effect of annealing solvents and/or mixture of the solvents in case of symmetric Poly (styrene-block-4vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblock copolymer to get the desired line patterns. In this paper, we used different molecular weights PS-b-P4VP to demonstrate the scalability of such high χ BCP system which requires precise fine-tuning of interfacial energies achieved by surface treatment and that improves the wetting property, ordering, and minimizes defect densities. Bare Silicon Substrates were also modified with polystyrene brush and ethylene glycol self-assembled monolayer in a simple quick reproducible way. Also, a novel and simple in situ hard mask technique was used to generate sub-7nm Iron oxide nanowires with a high aspect ratio on Silicon substrate, which can be used to develop silicon nanowires post pattern transfer.

Phase behavior and rheological analysis of reverse liquid crystals and W/I2, W/H2 gel emulsions using an amphiphilic block copolymer.

This article reports the phase behavior determi- nation of a system forming reverse liquid crystals and the formation of novel disperse systems in the two-phase region. The studied system is formed by water, cyclohexane, and Pluronic L-121, an amphiphilic block copolymer considered of special interest due to its aggregation and structural proper- ties. This system forms reverse cubic (I2) and reverse hexagonal (H2) phases at high polymer concentrations. These reverse phases are of particular interest since in the two-phase region, stable high internal phase reverse emulsions can be formed. The characterization of the I2 and H2 phases and of the derived gel emulsions was performed with small-angle X-ray scattering (SAXS) and rheometry, and the influence of temperature and water content was studied. TheH2 phase experimented a thermal transition to an I2 phase when temperature was increased, which presented an Fd3m structure. All samples showed a strong shear thinning behavior from low shear rates. The elasticmodulus (G0) in the I2 phase was around 1 order of magnitude higher than in theH2 phase. G0 was predominantly higher than the viscousmodulus (G00). In the gel emulsions,G0 was nearly frequency-independent, indicating their gel type nature. Contrarily to water-in-oil (W/O) normal emulsions, in W/I2 and W/H2 gel emulsions, G0, the complex viscosity (|η*|), and the yield stress (τ0) decreased with increasing water content, since the highly viscous microstructure of the con- tinuous phase was responsible for the high viscosity and elastic behavior of the emulsions, instead of the volumefraction of dispersed phase and droplet size. A rheological analysis, in which the cooperative flow theory, the soft glass rheology model, and the slip plane model were analyzed and compared, was performed to obtain one single model that could describe the non-Maxwellian behavior of both reverse phases and highly concentrated emulsions and to characterize their microstructure with the rheological properties.

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.

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

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.

Undulation instability in block-copolymer lamellae subjected to a perpendicular electric field

We examine the stability of lamellar stacks in the presence of an electric field, E-0, applied normal to the lamellae. Calculations are performed with self-consistent field theory (SCFT) supplemented by an exact treatment of the electrostatic energy for linear dielectric materials. The calculations identify a critical electric field, E-0*, beyond which the lamellar stack becomes unstable with respect to undulations. This E-0* rapidly decreases towards zero as the number of lamellae in the stack diverges. Our quantitative predictions for E-0* are consistent with previous experimental measurements by Xu and co-workers.