Le but de ce projet a été d'améliorer un procédé de clarification développé par VEOLIA Environnement : l'Actiflo®. L'Actfilo® est basé sur l'ajout de microsable lors de l'étape de floculation afin d'augmenter les vitesses de décantation. Toutefois, une importante quantité de polymère est continuellement ajoutée au procédé, et des résiduels de ce dernier peuvent être rencontrés dans les eaux décantées. Notre travail a été de fonctionnaliser (i.e. greffer) le microsable avec un polymère floculant afin de pouvoir recycler en continu le matériau hybride par hydrocyclonage. La fonctionnalisation par « Grafting Onto » a consisté à greffer un polymère floculant commercial sur le microsable alors que la fonctionnalisation par « Grafting From » a consisté à faire croître un polymère floculant depuis la surface. Les capacités floculantes des microsables ont été testées en essais classiques de coagulation/floculation. Les microsables fonctionnalisés avec un polymère cationique par « Grafting From » ont démontré leur supériorité en conduisant à un abattement en Carbone Organique Dissous (COD) de 25% contre un abattement de 15 % pour le procédé classique ou pour les microsables fonctionnalisés par « Grafting Onto ». Une turbidité légèrement supérieure est toutefois toujours obtenue avec les sables fonctionnalisés par rapport à l'ajout de polymère libre (+ 0,5 NTU). Enfin, des procédés de régénération permettant de réutiliser les microsables ayant servi en coagulation/floculation ont été mis en place, le plus efficace d'entre eux étant un traitement à base d'Acide Oxalique. Ce traitement a permis de régénérer les propriétés floculantes du sable sur deux cycles. / The purpose of this project was to improve a clarification process developed by VEOLIA Environment: The Actiflo®. The Actfilo® is based on adding microsand in the flocculation stage in order to increase the speed of sedimentation. However, a significant amount of polymeric flocculant is continuously added to the process, and residuals can be found in the decanted water. Our work was to graft a polymeric flocculant onto microsand in order to recycle the full hybrid material through hydrocycloning. Functionalization by "Grafting Onto" was based on grafting a commercial polymer onto microsand whereas “Grafting From” was based on surface-initiated polymerization. Flocculation properties of functionalized microsands were then tested in conventional coagulation/flocculation tests where the effectiveness of the two grafting methods was compared. Cationic functionalized sands, obtained by “Grafting From”, exhibit the best properties as a decrease of Dissolved Organic Carbon of 25% was reached whereas a decrease of 15% was reached by adding free polymer or adding sands from the “Grafting Onto” method. However final turbidity value was always slightly lower for the flocculation that occured when free polymer was added (- 0,5 NTU). Finally, regeneration processes to recycle the functionalized sands were established. The most effective of them being a treatment with Oxalic Acid. This treatment allowed us to regenerate flocculating properties of functionalized sands twice.

Des polymères à base de méthacrylate de poly(oxyde d'éthylène) (PEOMA) avec des chaînes pendantes PEO (Mn = 300 ou 950 g mol-1) ou des copolymères de PEOMA300 et d'acide méthacrylique (AMA) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes en utilisant une alkoxyamine (BlocBuilder®) comme amorceur en présence de SG1 et d'une faible quantité de styrène. Les copolymères à base de PEOMA300 et d'AMA sont thermo- et pH-sensibles. Les deux types de macroalkoxyamines ont été utilisés pour amorcer la copolymérisation en émulsion du méthacrylate de n-butyle et du styrène et former, par auto-assemblage induit par la polymérisation, des particules composées de copolymères à blocs amphiphiles, en absence ou présence de particules de silice. En absence de silice, des particules stabilisées de façon stérique ou électrostérique ont été formées. La polymérisation présente les caractéristiques d'une polymérisation contrôlée avec néanmoins la formation d'une faible proportion de chaînes mortes. L'effet du pH, de la force ionique et de la nature ou de la concentration des macroalkoxyamines sur la cinétique de polymérisation et la morphologie des particules a été étudié, et des sphères, des vésicules ou des nanofibres ont été obtenues. Les macroalkoxyamines à base de PEO s'adsorbent sur la silice via la formation de liaisons hydrogène entre les chaînes PEO et les groupes silanol. La synthèse de copolymères à blocs en surface de la silice a conduit à la formation de particules hybrides de différentes morphologies (bonhomme de neige, multipodes, framboise, coeur-écorce, têtard, mille pattes) liées à la taille de la silice, au pH et à la nature du macroamorceur / Water-soluble brush-type polymers composed of poly(ethylene)oxide methacrylate (PEOMA) units with PEO side groups of various chain lengths (Mn = 300 and 950 g mol-1) or of PEOMA300 with methacrylic acid (MAA) were synthesized by nitroxide-mediated polymerization using an alkoxyamine initiator (BlocBuilder®) and SG1 nitroxide in the presence of a low amount of styrene. The PEOMA300-MAA based copolymers showed a dual temperature/pH response. The two series of macroalkoxyamines were used in aqueous emulsion copolymerization of nbutyl methacrylate and styrene leading to the formation of particles composed of amphiphilic block copolymers through polymerization-induced self-assembly, in both the absence and presence of silica. The experiments performed in the absence of silica particles resulted in the formation of sterically or electrosterically stabilized latexes. The polymerization exhibited all the features of a controlled system with however the presence of a small proportion of dead chains. The effect of pH value, ionic strength and type and concentration of the macroalkoxyamine initiator on polymerization kinetics and latex morphologies was investigated. Depending on the reaction conditions, spherical particles, vesicles or nanofibers were successfully prepared. The PEO-based macroalkoxyamines were shown to adsorb on the silica surface via hydrogen bond interaction between PEO and the silanol groups. This enabled block copolymers to be generated in situ on the silica surface leading to hybrid particles with snowman, raspberry, daisy, core-shell, “tadpole-” and “centipede-” like morphologies depending on the silica particle size, pH value and type of macroinitiator

Ce travail a consisté en la synthèse et la caractérisation de nouveaux polycondensats poly(urée-imide)s (PUIs) greffés par une réaction de chimie "click" avec des nombres de greffons variables. Deux familles de matériaux ont été obtenues à partir d'un même PUI et de greffons de structures différentes mais de mêmes masses molaires : poly(méthoxy (diéthylène glycol) méthacrylate) (PMDEGMA) synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) ; poly(hydroxyéthyl acrylate) (PHEA) préparé par Single Electron Transfer Living Radical Polymerization (SET-LRP). Ces matériaux ont ensuite été étudiés pour la purification du biocarburant éthyl tert-butyl éther (ETBE) par le procédé membranaire de pervaporation. Pour la séparation correspondante du mélange azéotropique ETBE/éthanol, les polycondensats avec des greffons PMDEGMA ont conduit à d’excellentes performances en extrayant l’éthanol de manière très sélective. La stratégie de greffage a permis d’augmenter fortement le flux tout en maintenant une excellente sélectivité et de pallier ainsi la limitation classique des polycondensats linéaires pour lesquels flux et sélectivité varient fortement de manière opposée. Les propriétés de ces polycondensats greffés ont été corrélées à leur morphologie particulière étudiée par MDSC et Synchrotron SAXS. Les greffons PHEA avec des groupes hydroxyle ont permis d'augmenter encore l'affinité pour l'éthanol. Cette affinité ayant dépassé les espérances avec des membranes trop gonflées par le mélange cible, les propriétés de sorption et de perméation de la seconde famille de copolymères greffés ont finalement étudiées pour le transport de l'eau, autre domaine de la perméabilité à forts enjeux industriels / This work deals with the synthesis and characterization of new graft step-growth copolymers poly(urea-imide)s (PUIs) by ‘click’ chemistry with variable graft amounts. Two families of materials were obtained from the same PUI and polymer grafts with different structures and the same molecular weights : poly(methoxy (diethylene glycol) methacrylate) (PMDEGMA) prepared by Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP); poly(hydroxyethyl acrylate) (PHEA) obtained by Single Electron Transfer Living Radical Polymerization (SET-LRP). These materials were then investigated for the purification of the ethyl tert-butyl ether (ETBE) biofuel by the pervaporation membrane process. For the corresponding separation of the azeotropic mixture ETBE/ethanol, the copolymers with the PMDEGMA grafts showed excellent performances with very selective ethanol extraction. The grafting strategy enabled to increase the flux strongly while maintaining an excellent selectivity and thus overcame the classical limitation of linear step-growth copolymers, for which flux and selectivity strongly vary in opposite ways. The properties of the graft copolymers were correlated to their particular morphology characterized by MDSC and Synchrotron SAXS. The PHEA grafts with their hydroxyl groups enabled to further increase affinity for ethanol. This affinity having gone beyond expectation with a too strong membrane swelling in the targeted mixture, the sorption and permeability properties of the second series of graft copolymers were finally investigated for water transport, i.e. another permeability field with strong industrial stakes

La synthèse de macroalcoxyamines hydrosolubles à partir d’acide méthacrylique et d’un faible pourcentage de styrène sulfonate de sodium a été étudiée en solution aqueuse. Ces macroalcoxyamines ont été utilisées comme macroamorceurs pour la polymérisation en émulsion sanstensioactif du méthacrylate de méthyle et du méthacrylate de n-butyle avec un faible pourcentage destyrène. Les copolymères diblocs amphiphiles produits s’auto-assemblent in situ et conduisent, en fonction de leur taux d’hydrophilie, à l’obtention de nano-objets présentant des morphologies variées(sphères, fibres, vésicules). La plus intéressante est la morphologie fibrillaire car les suspensions correspondantes présentent des propriétés rhéofluidifiantes à basse concentration et possèdent un comportement viscoélastique à haute concentration. La synthèse de ces latex a été étudiée et développée dans des conditions monotopes les plus proches possibles d’une production industrielle. / Water-soluble, SG1-based macroalkoxyamines composed of methacrylic acid with a low percentage of sodium 4-styrene sulfonate were synthesized in aqueous solution. These macroalkoxyamines were used as macroinitiators in the surfactant-free emulsion polymerization ofmethyl methacrylate or n-butyl methacrylate with a low percentage of styrene. The polymerization induced self-assembly of the so-formed amphiphilic block copolymers leads to nanoobjects with various morphologies (spheres, fibers, vesicles), depending on their hydrophilic/hydrophobic balance. The most interesting morphology is the nanofiber type of organization as the suspensions presentshear-thinning properties at low concentration and viscoelastic behavior at high concentration. The synthesis of these latexes was investigated and developed in one-pot conditions in order to allow further production at the industrial scale.

Les nano-objets hybrides ou polymères connaissent un intérêt grandissant depuis plusieurs années mais peu sont étudiés sous irradiation. Dans ce travail, différents nano-objets ont été synthétisés et étudiés pour comprendre leur stabilité face à des rayonnements ionisants. Nous avons étudié l’effet de l’irradiation sur des copolymères à blocs amphiphiles pouvant s’organiser en micelles dans l’eau. Les objets varient par la nature de leur polymère hydrophobe et leur sensibilité aux rayonnements ionisants. Dans un cas, des polyméthacrylates ont été copolymérisés par ATRP à partir d’un PEG macro-amorceur. Dans un autre cas, pour accentuer l’effet de l’irradiation, un polysulfone aliphatique plus radiosensible, a été synthétisé via une polyaddition thiol-ène. Après nanoprécipitation, les objets ont été caractérisés avant et après irradiation par des techniques de diffusion et de chromatographie. En parallèle, on s’est intéressés également à des nanoparticules métalliques connues pour augmenter l’effet de l’irradiation. Des nanoparticules d’or greffées de polymères ont été synthétisées par voie « grafting to » après synthèse de macro-ligands par polymérisation radicalaire contrôlée. Après une caractérisation fine des objets, l’effet de l’irradiation a été étudié à la fois sur la taille des objets et la masse des polymères afin de déterminer la nature des phénomènes mis en jeu. / Hybrid and polymer nano-objects have known a growing interest these last years but few are studied under irradiation. In the present work, different nano-objects have been synthetized and studied to understand their stability towards ionizing rays. We have studied the effect of irradiation onto amphiphilic bloc copolymer that form micelles in water. Objects were varied by the nature of their hydrophobic bloc and their sensibility to ionizing rays. First, methacrylates were copolymerized by ATRP with a PEG macro-initiator. Secondly, to improve radiation effect, a more radiosensitive polymer, a polyolefinsulfone, was synthetized by a thiol-ene polyaddition. After nanoprecipitation, objects were caracterized before and after irradiation by scattering and chromatography techniques. In parallel we also studied metallic nanoparticles well known for improving irradiation effect. Polymer-grafted gold nanoparticles were synthetized via a “grafting to” technique, after the synthesis of macro-ligands by controlled radical polymerization. After a precise characterization of these objects, irradiation effect has been studied via changes in size and polymer mass. This will permit to determine the nature of induced phenomena.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Darstellung sensitiver Blockcopolymere und deren Gele, die als Ausgangsmaterialien in Sensor- und Aktorsystemen einsetzbar sind. Die Vereinigung verschiedener Ansprechparameter stellt erhöhte Anforderung an die Synthese. Geringe Ansprechzeiten lassen sich mit einer Gelgröße im µm-Bereich erreichen. Hydrogele dieser Größenordnungen können durch nachträgliche Vernetzung funktioneller linearer Polymere ermöglicht werden. Die Makroinitiatormethode ermöglichte den Aufbau verschiedener linearer photovernetzbarer Blockcopolymere. Zum Einen wurde das temperatursensitive P(n-BuAc)-block-P(PNIPAAm-co-DMIAAm) erhalten, des Weiteren gelang die Darstellung der multi-sensitiven Blockcopolymere P2VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm) und P4VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm). Die Blockcopolymere wurden mit variierenden Blocklängen und Verhältnissen sowie mit unterschiedlichem Vernetzergehalt dargestellt. Die Charakterisierung der Blockcopolymere erfolgte mittels 1H-NMR-Spektroskopie, GPC-Messungen (Zusammensetzung) und DSC-Messungen (thermische Eigenschaften). Das Löslichkeitsverhalten in wässrigen Medien wurde durch Dynamische Lichtstreuung bestimmt. Die Beschreibung des Quellverhaltens der vernetzten Schichten erfolgte durch vornehmlich durch optische Methoden (SPR/OWS, WAMS, Ellipsometrie). Die Veränderung des E-Moduls in Abhängigkeit äußerer Parameter konnte mittels AFM untersucht werden. Die Reaktion der Schichten wurde gegenüber Temperatur, pH-Wert und Salzkonzentrationen getestet. Die charakterisierten Filme konnten im Anschluss als sensitive Schichten in piezoresistiven Sensorsystemen verwendetet werden.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent trois différentes techniques de formulation innovantes qui ont été étudiées en tant que procédés robustes et efficaces pour l’élaboration de polymères fonctionnels à architecture contrôlée ou bien de films minces réticulés. La première stratégie exploite le caractère orthogonal de la click chemistry la plus connue: la cycloaddition catalysée par le cuivre(I) entre un azoture et un alcyne (CuAAC). Nous avons développé deux stratégies monotopes tandem complémentaires alliant CuAAC et Polymérisation Radicalaire Contrôlée (PRC) afin d’obtenir efficacement des architectures complexes en une seule étape. La deuxième stratégie concerne l’utilisation de la chimie thiol-ène en tant que click chemistry pour la fonctionnalisation de polymères et la réalisation d’architectures bien définies. Une série de polymères portant des insaturations ont été synthétisés par des techniques de polymérisation contrôlée dans le but d’étudier et de comparer l’efficacité des couplages thiol-ène initiés thermiquement ou hotochimiquement. Dans cette étude, l’orthogonalité de la chimie thiol-ène avec la CuAAC a également été étudiée. La troisième stratégie est inspirée des récentes techniques d’élaboration de matériaux réticulés/fonctionnalisés par couplage des azotures avec des insaturations. Nous avons développé une nouvelle stratégie d’élaboration efficace de matériaux massifs et de films minces de PDMS réticulés par utilisation d’un diazoture comme agent réticulant. Cette étude est réalisée en combinant des expertises en rhéologie, chimie et en couches minces. / This thesis focuses on three different and innovative techniques studied as efficient and robust processes to elaborate functional polymers with controlled architecture or crosslinked materials and thin films. The first strategy exploits the orthogonal property of a famous click chemistry: the Copper (I)-catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition (CuAAC). We developed two complementary strategies based on the one-pot tandem combination of CuAAC and Controlled Radical Polymerisation techniques (CRP) to efficiently elaborate complex polymer architectures. The second strategy is focused on the thiol-ene chemistry as a click chemistry and its use for the functionalisation of polymers in order to obtain well defined architectures. A series of alkenefunctional polymers were synthesized by controlled polymerization techniques in order to investigate and compare the efficiency and orthogonality of both photochemically and thermally initiated thiol-ene click coupling reactions. Orthogonality of thiol-ene chemistry with CuAAC was also studied. The third strategy is inspired of new processes developed to perform crosslinked/functionalised materials by azide-ene couplings. We investigate a new strategy for the elaboration of crosslinked PDMS in bulk or in thin films with the use of a diazide as coupling agent. This last study combines analyses in rheology, chemistry and in thin layer.

Ce projet de thèse consistait à synthétiser de nouveaux bio-conjugués Lipide-Polymère fluorescents émettant dans le rouge lointain, composés d’une chaîne polymère portant à la fois de nombreux chromophores en position latérale et un lipide en extrémité de chaîne. La structure de ces bio-conjugués est basée sur des copolymères poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide), hydrophiles, réactifs, modulables et d’architecture contrôlée obtenus par le procédé RAFT. Les copolymères réactifs ont ensuite été utilisés pour le couplage, en position latérale, de chromophores émettant dans le rouge lointain. La stratégie utilisée pour la synthèse des bio-conjugués se divise en trois étapes : la synthèse d’Agents de Transfert de Chaîne (ATC) fonctionnalisés avec un lipide suivant un protocole déjà décrit suite à des travaux de notre équipe, et dont les étapes de purification ont été améliorées afin d’obtenir des ATC les plus purs possible (90% de pureté molaire) ; l’utilisation de ces ATC fonctionnels pour la synthèse de polymères α fonctionnels, et enfin, le couplage covalent, rapide et efficace, de chromophores en position latérale. Il a été mis en évidence que les ATC lipidiques permettent un très bon contrôle de la copolymérisation des monomères NAM et NAS. L’utilisation de la composition azéotropique pour ce couple de monomère permet également d’obtenir des chaînes polymère de microstructure très contrôlée et présentant des valeurs de Mn comprises entre 5 900 et 33 200 g.mol-1. Les propriétés optiques des bio-conjugués ont été déterminées, ce qui a permis de mettre en évidence que ces propriétés, et notamment le rendement quantique de fluorescence, sont très sensibles à la structure des bio-conjugués synthétisés. Tous les bio-conjugués présentent des brillances améliorées (jusqu’à 13 000 M-1.cm-1 dans l’eau et 50 0000 M-1.cm-1 dans CHCl3) par rapport à celle du chromophore. La capacité des bio-conjugués à interagir avec les bicouches lipidiques a été mise en évidence à travers l’utilisation de systèmes modèles (SUVs, LUVs et GUVs). Enfin, les évaluations biologiques réalisées ont montré à la fois une absence de cytotoxicité des bio-conjugués et une capacité de ces derniers à être internalisés rapidement (< 10 min) au sein de différentes lignées de cellules vivantes. / The aim of this study is to synthesize new far-red emitting fluorescent Lipid-Polymer conjugates, consisting of a polymer chain bearing both multiple fluorophores in lateral position and a lipid at one chain-end. These conjugates are based on an hydrophilic, reactive, flexible and controlled poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide) copolymer synthesized by the RAFT process. Multiple far-red emitting fluorophores were bound on the reactive copolymer in lateral position. The strategy used in this study consists of three different steps: Chain Transfer Agents (CTA) functionalized with a lipid were synthesized following a protocol already described in our team, the purity of these CTA was improved (90% molar purity); the use of these CTA for the synthesis of α functional polymers, and finally, the very efficient covalent binding of fluorophores in lateral position. We showed that the lipid-CTA enable a very good control of the NAM/NAS copolymerization. The azeotropic composition enables the synthesis of polymer chains with a controlled composition and with Mn values varying from 5 900 to 33 200 g.mol-1. The optical properties of the bio-conjugates were determined, and we showed that these properties (the fluorescence quantum yield especially) are structure sensitive. All of them show an improved brightness (13 000 M-1.cm-1 in water and 50 000 M-1.cm-1 in CHCl3) compared to the brightness of the free fluorophore. The ability of the bio-conjugates to interact with lipid bilayers was proved using model systems (SUVs, LUVs and GUVs). Finally, biological evaluations showed both an absence of cytotoxicity and an ability of the conjugates to be quickly internalized in leaving cells (< 10 min).

Multifunctional monomers on the basis of acryl- and methacryl derivatives were synthesized and different protective groups were used. After polymerization the protective groups were removed by different methods. Various initiators for the NMP of the monomers were synthesized and the reaction conditions were optimized. The results showed that NMP was not a suitable method for multifunctional acryl- and methacryl derivatives to achieve well-defined homopolymers, although it was successful for control of polymerization of styrene and block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. The ATRP of multifunctional acrylates and methacrylates has been successfully performed, as well as the block copolymerization of multifunctional acrylates and methacrylates. Relatively low polydispersities of the corresponding polymers (PD=1.18-1.36) and reasonably high rates of polymerization could be achieved when Me6TREN and PMDETA were used as ligands. However, the ATRP of multifunctional acrylamides and methacrylamides failed. The RAFT-polymerization of styrene, acrylamide and acrylate using BDTB as a CTA and AIBN as an initiator afforded polymers with narrow molecular weight distribution (PD=1.13-1.26). A kinetic investigation and the further synthesis of block copolymers using dithioester-terminated homopolymers as macroCTAs showed that the RAFT polymerization of acrylamide M9b proceeded in a living manner. However, BDTB does not control the reaction of methacrylic monomers, such as methacrylates and methacrylamides. The bulk phase behavior of the block copolymers were examined by means of DSC and the surface behaviors of block copolymers as thin layers were examined with AFM. Two-phase transitions in the block copolymers were observed clearly by DSC, indicative of the appearance of phase separations, which were seen in an AFM image. In conclusion, multifunctional acryl- and methacryl derivatives failed to achieve well-defined homopolymers by NMP. However, this method was successful for block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. Multifunctional acrylates and methacrylates were successfully homopolymerized and block copolymerized by ATRP. Multifunctional acrylates and acrylamides were suitable for homopolymerization and block copolymerization by the RAFT process. Thus far, it is difficult to homopolymerize multifunctional methacrylamides in controlled way.

Controlled radical polymerization (CRP) can be viewed as the middle ground between living anionic polymerization (LAP) and conventional free radical polymerization (FRP). It combines the precise control over polymer structure offered by LAP, under a tolerant reaction condition similar to FRP. One of the most studied CRP is atom transfer radical polymerization (ATRP), with over 10,000 papers published since its introduction in 1995. Despite the numerous studies, knowledge on its fundamental mechanism is still lacking, as evident from the lack of expression for full MWD and polydispersity that account for termination reaction. Since termination is unavoidable in ATRP, the existing expressions give inaccurate predictions as dead chains accumulate. In this study, we derived expressions for full MWD at low conversion and for polydispersity. These expressions allow us to quantify and gain better understanding on the contribution of termination. In addition, the resulting polydispersity expression shows better agreement than the existing equation when correlated with experiment data. In addition to the aforementioned questions, there are also controversies regarding the kinetics of surface-initiated ATRP, with researchers divided into two schools of theories. We evaluated the validity of these theories by comparing their predictions to experimental trends. Both theories were found to be inadequate in explaining all the experimental observations, thus triggering an investigation of the graft density. Graft density is an important determining property for polymer brushes, yet little is known about what affects its final value. Through simulations, we investigated the effect of experiment factors on the grafting density. A decrease in the amount of deactivator is found to decrease the grafting density, which could be explained by an increase in the number of monomers added per activation cycle. This knowledge allows us to explain the conflicting experiment observations regarding the growth trends of polymer layers reported in the literatures. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Polymer materials are used almost everywhere in our daily life from clothing to water bottle. This wide range of applications owes to the nearly infinite possible properties that polymer can possess. Different polymerization processes to synthesize polymers have their own weaknesses and strengths. Herein we investigated the fundamental mechanism of one of the currently most attractive polymerization systems, atom transfer radical polymerization (ATRP). This process allows the synthesis of polymers with precisely tailored chain microstructures, making it possible to create polymer with sophisticated properties. Using modeling approaches, we derived explicit expressions for determining chain properties, allowing detailed investigation of how various factors affect these properties. Through these investigations, we obtained better understanding on the mechanism of ATRP in solution and on surface. This knowledge is crucial in providing insight and guiding experimental designs for better control over the material properties.