La technique d'auto-assemblage couche par couche de polyélectrolytes, permettant de construire des films appelés « multicouches », s'est grandement développée au cours des deux dernières décennies. Cette technique permet non seulement de modifier des surfaces de matériaux mais également d'élaborer des membranes auto-supportées. Dans cette thèse, j'ai étudié la croissance de deux systèmes multicouches assemblés dans des conditions extrêmes de pH pour accélérer leur croissance. Les films à base de poly(ethylene imine) et d'acide poly(acrylique) ont été utilisés pour réaliser, d'une part, des membranes possédant une capacité à répondre à l'humidité, et d'autre part, des membranes asymétriques présentant des propriétés anti-bactériennes. Les films à base de poly(L-lysine) et de hyaluronane ont été réalisé par croissance amplifiée par le pH, et l'effet du poids moléculaire du HA sur la croissance et les propriétés interne des films a été étudié. Ces films ont servi de réservoir pour le piégeage de précurseurs métalliques, qui ont ensuite été réduit in situ par irradiation UV, afin de former des nanoparticules. Ainsi, des films nanocomposites contenant des particules d'argent et des particules d'or ont été synthétisés. / Layer-by-layer assembly has witnessed great development during the two last decades and has expanded its application from surface modification to membrane construction. In this thesis, I studied the buildup of layer-by-layer films assembled at extreme pH (i.e. pH-amplified). I first focused on the fabrication of free-standing film made of poly(ethylene imine) and poly(acrylic acid). An application was to use these films as humidity sensors and a second one was to load silver ions in the films to create anti-bacterial membranes. Then, I worked on poly(L-lysine)/hyaluronan films and I investigated the effect of HA molecular weight on film growth and internal properties. Finally, nanocomposites were made via in situ synthesis of metal NPs in (PLL/HA) films: silver NP loaded (PLL/HA) free-standing films were constructed and their mechanical properties were tested; well dispersed gold NPs with sizes ranging from ~2 nm to ~9 nm were synthesized in (PLL/HA) films.

Les nanocristaux de cellulose (NCC) sont des nanoparticules biosourcées en forme de bâtonnets produites par l’hydrolyse à l’acide sulfurique de fibres de cellulose. Les nombreux avantages des NCC (excellentes propriétés mécaniques, faible densité, grande surface spécifique, non toxicité, source abondante et renouvelable) en font des briques élémentaires particulièrement attractives pour l’élaboration de nanocomposites biosourcés et expliquent l’intérêt croissant des mondes industriels et académiques pour ces nanoparticules. Au cours des dix dernières années, les NCC ont été associés à différents types de polymère pour former, grâce à la méthode d’assemblage couche par couche, des films minces aux architectures modulables. Dans ce travail, nous avons exploré trois axes de recherche innovants dans le domaine des films multicouches à base de NCC. Dans un premier temps, les chaînes de polymère ont été remplacées par des nanoparticules inorganiques de forme hexagonale chargée positivement, les nanoplaquettes de gibbsite (GN), pour former des films minces hybrides entièrement constitués de nanoparticules. Nous avons montré que l’architecture des films (NCC/GN) pouvait être modulée sur une large gamme en ajustant les paramètres physico-chimiques comme le facteur de forme, la force ionique de la suspension de NCC ou le protocole de séchage. La caractérisation fine de la structure interne des films a été déterminée par l’utilisation de deux techniques de surface complémentaires, la microscopie à force atomique (AFM) et la réflectivité des neutrons (RN). Nous avons pu prouver que l’architecture interne des films était le résultat de différentes forces d’interaction dont la portée dépend des paramètres physico-chimiques utilisés. Dans un second temps, la résistance à l’humidité de films entièrement biosourcés a été étudiée en comparant des films dans lesquels les NCC étaient associés soit à des chaines de xyloglucane (XG) natives soit à des chaines de XG oxydées. Les résultats d’AFM et de RN révèlent que les cinétiques d’absorption d’eau et l’hydratation des films dépendent fortement de la possibilité de créer des liaisons hémiacétales intra- et intercouches générant ainsi un réseau covalent. Le troisième axe de recherche concerne la production de surfaces macroscopiques au sein desquelles les NCC seraient orientés dans des directions privilégiées pour élaborer des nanocomposites anisotropes. Un alignement prononcé a été obtenu par l’utilisation d’un flux laminaire de cisaillement.L’ajustement des paramètres structuraux confère aux films multicouches des propriétés physiques macroscopiques spécifiques. Les propriétés mécaniques des films ont donc été déterminées en utilisant la technique SIEBIMM (strain induced elastic buckling instability for mechanical measurements) et ont été reliées aux paramètres structuraux. Ces nanocomposites aux architectures et propriétés modulables pourraient permettre la conception de films minces ou de revêtements intéressants pour des domaines tels que les membranes de séparation ou les supports flexibles pour l’électronique. / CNCs are biobased nanorods that are attracting increasing attention from both the academic and industrial communities due to their numerous properties such as renewability, high specific surface area, excellent mechanical properties, light weight, or non-toxicity. CNCs are thus considered as highly promising blocks for the production of high performance biobased composites. In the last ten years, negatively charged CNCs have been associated with natural or synthetic polycations or neutral biopolymers within multilayered films built by the layer-by-layer assembly technique. In the present study, we have investigated three new research axes in the CNC-based multilayers field. In a first part, polymer chains have been replaced by positively charged inorganic Gibbsite nanoplatelets (GN) to form innovative hybrid nanoparticules-based thin films. We have shown that the architecture of (CNC/GN) films can be tuned over a wide range by adjusting the physico-chemical parameters such as the aspect ratio of the CNC, the ionic strength, or the drying protocol. The detailed internal structure of the multilayered films has been elucidated by the complementary use of AFM and neutron reflectivity (NR) and was attributed to a combination of different interaction forces. In a second part, the resistance to humidity of purely biobased films was investigated by comparing films where CNCs are associated either with neutral xyloglucan chains or with oxidized ones. AFM and NR reveal that the kinetics of water intake and hydration strongly depends on the possibility to form inter- and intra-layer hemiacetal bonds forming a covalent network. The third axis concerns the production of uniformly oriented macroscopic surfaces of CNCs to build anisotropic multilayered nanocomposites. Enhanced alignment was achieved by the use of laminar shear flow.The fine tuning of the structural features of all the multilayered systems studied gives rise to specific macroscopic physical properties. The mechanical properties of films of various architectures (Young’s modulus) have thus been measured using the strain induced elastic buckling instability for mechanical measurements (SIEBIMM) technique and tentatively related to the film’s structure. The tunable properties of such multilayered systems pave the way to the design of thin films and coatings for separation membranes or supports for flexible electronics.

Ce travail de thèse décrit l’alignement par pulvérisation de nanofils d'argent (AgNWs) aux interfaces solides sous la forme de films mono- et multicouches. Cette technique permet de contrôler la densité de nanofils dans le plan sur des zones macroscopiques avec des paramètres d'ordre nématique atteignant des valeurs > 0,90 dans les films monocouches. La répétition des cycles de dépôt en utilisant l’assemblage couche-par-couche produit des films multicouches dans lesquels par exemple des superstructures uniaxiales ou hélicoïdales peuvent être préparées en choisissant les directions de pulvérisation appropriées pour chaque monocouche individuelle. Les systèmes uniaxiaux sont des polariseurs fortement dépendant de la longueur d'onde (en raison de l'orthogonalité des plasmons transversaux et longitudinaux des AgNWs) et montrent une conductivité anisotrope dans le plan. Les systèmes hélicoïdaux montrent un dichroïsme circulaire très élevé qui peut être ajusté par exemple par le biais de la densité des AgNWs dans le plan ou de la distance entre les monocouches individuelles. Les mesures de la matrice Müller confirment que le dichroïsme circulaire observé découle de la superstructure hélicoïdale des multicouches à base d’AgNWs. / This thesis work describes the spray-alignment of silver nanowires (AgNWs) at solid interfaces in the form of mono- and multilayer films. The technique allows to control the in-plane density of nanowires over macroscopic areas with the best nematic order parameters reaching > 0.90 in monolayer films. Repeated deposition cycles using layer-by-layer assembly yield multilayer films in which for example uniaxial or helically twisted superstructures can be prepared by choosing appropriate spraying directions for each individual monolayer. Uniaxial systems are strong wavelength dependent polarizers (due to the orthogonality of the transversal and longitudinal plasmons of the AgNWs) and they show anisotropic in-plane conductivitiy. Helically twisted systems show very high circular dichroism which can be tuned for example through the in-plane density of AgNWs or through the distance between individual monolayers. Müller Matrix measurements confirm that the observed circular dichroism arises from the helically twisted superstructure of the AgNW multilayers.

Ce travail de thèse a été consacré à l'élaboration d'un nouveau type de membranes de nanofiltration efficaces avec des propriétés améliorées (flux élevé et rétention élevée, et de bonnes propriétés mécaniques) en déposant un revêtement assemblé couche-par-couche (LbL) sur des supports poreux. Après avoir systématiquement étudié le mécanisme de croissance des films assemblés couche par couche des polyélectrolytes choisis et la relation entre les structures de ces films et les performances des membranes résultant, nous avons identifié avec succès les meilleures structures multicouches pour la construction de membranes de nanofiltration de référence avec des performances optimales. En outre, en prenant avantage de la technique LbL, nous avons introduit une couche de diffusion latérale assemblée soit de nanofibrilles de cellulose ou de nanotubes de carbone, qui permet d’augmenter le flux de 30% tout en conservant la même rétention par rapport à la membrane de référence. En plus, les films assemblés à base de chitosan et nanofibrils de cellulose ont montré une forte résistance à la traction allant jusqu’à 450 MPa et un module d’Young jusqu’à 50 GPa. / This thesis work was devoted to the development of a novel and efficient nanofiltration membrane with improved properties (high flux and high retention, good mechanical strength) by coating Layer-by-Layer (LbL) assembled films onto porous membrane support. After having systematically studied the growth mechanism of LbL-assembled films of chosen polyelectrolytes and the relationship between the structures of these films and the membrane performance of the resulting NF membranes, we successfully identified the best multilayer structures for constructing nanofiltration membranes (NF) of reference with optimal membrane performance. Furthermore, taking advantages of the LbL-assembly, we successfully introduced LbL-assembled lateral diffusion layer that is made of either cellulose nanofibrils or carbon nanotubes, which in turn led to membranes with 30% higher flux. In addition, the LbL-assembled films of chitosan and cellulose nanofibrils showed surprisingly strong tensile strength of up to 450 MPa and a high Young modulus of up to 50 GPa.

Ma thèse a porté sur des complexes de polyélectrolytes en solution et en films LbL pour la transfection de cellules et le contrôle des interactions cellule-surface. Il est possible de doser un agent de transfection et de l'ADN plasmidique dans des films LbL en ajustant le nombre de couches. Les efficacités de transfection avec différentes lignées cellulaires ont été au moins aussi bonnes que celles rapportées dans la littérature, mais sont restées globalement faibles. Différents nanobags ont également été systématiquement testés menant à un protocole de transfection très efficace avec une faible cytotoxicité pour des fibroblastes humains qui sont difficiles à transfecter. Nous avons pu identifier les architectures LbL qui permettent de contrôler l'adhésion cellulaire même en présence de sérum. Cela nous a permis d'introduire une nouvelle technique pour le suivi in situ de la transfection par QCM-D en suivant la mobilité du cytosquelette qui sera poursuivie dans un futur projet.

Ma thèse a porté sur des complexes de polyélectrolytes en solution et en films LbL pour la transfection de cellules et le contrôle des interactions cellule-surface. Il est possible de doser un agent de transfection et de l'ADN plasmidique dans des films LbL en ajustant le nombre de couches. Les efficacités de transfection avec différentes lignées cellulaires ont été au moins aussi bonnes que celles rapportées dans la littérature, mais sont restées globalement faibles. Différents nanobags ont également été systématiquement testés menant à un protocole de transfection très efficace avec une faible cytotoxicité pour des fibroblastes humains qui sont difficiles à transfecter. Nous avons pu identifier les architectures LbL qui permettent de contrôler l'adhésion cellulaire même en présence de sérum. Cela nous a permis d'introduire une nouvelle technique pour le suivi in situ de la transfection par QCM-D en suivant la mobilité du cytosquelette qui sera poursuivie dans un futur projet. / My PhD work was focused on polyelectrolyte complexes in bulk and in LbL-films for cell transfection and for controlling cell-surface interactions. It is possible to dose transfection agent and plasmid DNA in LbL-films by adjusting the number of layers. Transfection efficiencies with different cell lines were at least as good as reported in the literature, but remained overall weak. Different nanobags were also tested systematically leading to a highly efficient transfection protocol with low cytotoxicity for human fibroblasts which are difficult to transfect. We were able to identify multilayer architectures that allow to control cell adhesion even in the presence of serum. This allowed us also to introduce a new technique for the in-situ monitoring of transfection by QCM-D through monitoring cytoskeleton mobility which will be further pursued in a future research project.