Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Ce projet de thèse explore les paramètres régissant l’incorporation de nanoparticules métalliques à l’intérieur d’une couche ultramince de copolymère à bloc. Les composites sont mis en forme à l’interface air/eau à l’aide d’une cuve de Langmuir, puis transférés sur substrat solide à l’aide de la technique de Langmuir-Blodgett. Cette méthode permet d’obtenir une couche pseudo-monomoléculaire nano-structurée. Le comportement du copolymère seul à l’interface air-eau est d’abord étudié en fonction de différents paramètres tels que la température de la sous-phase, la masse molaire du copolymère, la vitesse de compression de la couche, etc… Deux types de nanoparticules métalliques sont utilisés afin de former les composites : celles étant décorées de polystyrène comportant un groupement thiol en bout de chaîne et celles étant décorées de courts thioalcanes. Pour chacun des deux cas la morphologie du nanocomposite est systématiquement étudiée en fonction de la taille des cœurs d’or et de la longueur des ligands organiques greffés à leur surface. Il est démontré que ces paramètres affectent la morphologie de la matrice ainsi que la distribution des nanoparticules. Quatre morphologies principales sont observées : particules disposées de manière disparate et brisant la morphologie de la matrice, particules agrégées sous forme d’îlots sans égards à la structure de la matrice, particules dispersées l’intérieur des domaines hydrophobes du copolymère et particules ségrégées à l’interface triple entre les deux blocs et l’air formant des anneaux de nanoparticules. Diverses expériences permettant de mieux caractériser ces systèmes ainsi que des preuves de concept permettant de valider les modèles débattus dans la thèse sont aussi présentées. Les systèmes sont principalement caractérisés par microscopie électronique en transmission et microscopie à force atomique.

L'étude des films de Langmuir revêt un intérêt tant académique que technologique. D'un point de vue fondamental, les films de Langmuir consituent des systèmes modèles s'organisant à une interface idéalement lisse. Cette approche permet le contrôle, et donc une meilleure compréhension, de plusieurs facteurs affectant l'organisation des polymères aux interfaces. Le transfert de ces mono-couches moléculaires sur substrat solide (films de Langmuir-Blodgett), constitue une méthode simple mais puissante de production de surfaces nano-structurées. L'étude des films de Langmuir et de Langmuir-Blodgett de l'oxyde de polyéthylène (PEO) et de ses copolymères non-ioniques fait l'objet du présent travail et les intérêts sont multiples. Le PEO est un monde en soi, présentant plusieurs singularités dont le pourquoi reste encore à définir. Le comportement de ses copolymères blocs aux interfaces revêt une importance cruciale en raison du nombre impressionnant de domaines d'applications dans lesquels on les retrouve : enduits dentaires, shampoings, peintures, médicaments, nettoyants, agents dispersants, aliments et, depuis peu, agents nano-structurants. La biocompatibilité des copolymères triblocs composés de PEO et d'oxyde de polypropylène (PPO) répondant à la formule PEOn-PPOm-PEOn a donné lieu au développement de nombreuses formulations pharmaceutiques. De plus, il a été vérifié à maintes reprises que les surfaces enduites de PEO-PPO-PEO inhibent l'adhésion protéique, quoique la nature de la conformation d'efficacité maximale n'ait pas encore été déterminée. Par ailleurs, il a été démontré que les copolymères avec polystyrène (PS) de type PS/PEO forment un nouveau type de micelles en deux dimensions à l'interface air/eau, mais à notre connaissance, aucun modèle quantitatif n'avait à ce jour été proposé pour en prédire la stabilité et le nombre d'agrégation. Des films de Langmuir de PEO, PPO, PEO-PPO-PEO et PEO-PS-PEO ont été étudiés par manométrie de surface, microscopie à angle de Brewster et microscopie à force atomique, en combinaison avec les théories de des Cloizeaux et de de Germes. Les résultats indiquent qu'à faible recouvrement de surface, le PEO et le PPO sont tous deux en régime strictement bi-dimensionnel, ainsi qu'en condition de bon solvant à l'interface air/eau. À plus grande concentration, il y a développement d'hélices 11/2 en sous-phase dans le cas du PEO, et de fondu en deux dimensions dans le cas du PPO. Un nouvel éclairage à l'interprétation des isothermes des films de Langmuir des copolymères blocs PEO-PPO-PEO est proposé. Pour les copolymères blocs PEO-PS-PEO, un phénomène de micellisation, se produisant dès la déposition du copolymère à l'interface air/eau, donne lieu à la formation d'agrégats de surface. La taille et la morphologie de ces agrégats dépendent fortement du rapport de monomères styrène(S)/(oxyde d'étylene)(EO). Un modèle simple a été développé, permettant de prédire le nombre d'agrégation des micelles de surface circulaires PEO-PS-PEO. Des états métastables peuvent se former à l'interface, mais ils sont sensibles aux pressions de transfert et au démouillage lorsque transférés sur mica. Le modèle a été étendu aux copolymères diblocs PS-PEO et validé à l'aide de données expérimentales déjà existantes.

Cette thèse de doctorat étudie l’auto-assemblage de copolymères di-blocs et de nanoparticules métalliques à l’interface air-eau. Les nanoparticules métalliques peuvent interagir fortement avec la lumière grâce à l’oscillation collective des électrons de conduction. Ce phénomène, qu’on appelle le plasmon de surface localisé, offre d’importantes perspectives dans l’élaboration de matériaux optiques. Cependant, la force et la fréquence du plasmon de surface varient significativement en fonction de plusieurs paramètres dont l’arrangement des nanoparticules. Les copolymères à blocs, quant à eux, ont la capacité de former des domaines de morphologies définies à la surface de l’eau et représentent une voie simple pour organiser les nanoparticules en deux dimensions. Avec la technique Langmuir-Blodgett, il a été possible de former des monocouches composites de nanoparticules et de copolymères, et de les transférer sur des substrats solides. Les films composites Langmuir-Blodgett ont été caractérisés par microscopie à force atomique et par microscopie électronique en transmission. Plusieurs auto-assemblages, incluant des agrégats, des systèmes cœur-satellites, des cercles et des lignes de nanoparticules ont été observés. Les caractéristiques structurales de ces assemblages peuvent être ajustées avec précision en modifiant l’organisation des copolymères et la longueur des ligands thioalcanes à la surface des nanoparticules. De plus, une procédure de recroissance in situ a été développée pour augmenter la taille des nanoparticules incorporées sans altérer l’ordre des monocouches. Les propriétés optiques des auto-assemblages ont ensuite été étudiées expérimentalement et comparées à des simulations théoriques par l’approximation aux dipôles discrets. Une attention particulière a été portée aux nanocercles qui sont des structures hautement symétriques et compliquées à obtenir avec d’autres méthodes. Enfin, la thèse se termine par une série d’expériences préliminaires destinées à évaluer l’utilité de ce type de monocouches pour des applications de détection. / The present Ph. D. thesis treats the investigation of the self-assembly of block copolymers and metallic nanoparticles at the air-water interface. Metallic nanoparticles interact strongly with light because of the collective oscillation of the conduction electrons. This phenomenon is called the localized surface plasmon resonance and offer significant promise in the development of optical materials. However, the strength and frequency of the surface plasmon depend on several parameters, including details of the arrangement of the nanoparticles. As block copolymers can form nanodomains at the surface of water, they represent a simple way to organize nanoparticles in two dimensions. With the help of the Langmuir-Blodgett technique, it has been possible to form composite monolayers composed of nanoparticles and block copolymers, which are transferable on solid substrate. The Langmuir-Blodgett composite films have been characterized both by atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Several self-assemblies, including aggregates, core-satellite structures, nanorings, and particle lines have been observed. The structural characteristics of these assemblies can be tuned precisely by modifying the copolymer organization and the capping ligand length at the nanoparticle surface. In addition, an in situ regrowth procedure has been developed to increase the size of the incorporated nanoparticles without losing the order of the monolayers. Then, optical properties of the self-assemblies have been investigated experimentally and compared to theoretical calculations by the discrete dipole approximation. Particular attention has been paid to the nanoring structures, which are highly symmetrical and complicated to obtain with other fabrication procedures. Finally, the thesis presents a series of preliminary experiments intended to assess the usefulness of the monolayers for sensing applications.

Les nombreuses morphologies périodiques des copolymères blocs sont bien connues. L'immiscibilité des blocs de nature chimique différente conduit à une séparation de phases à l'échelle moléculaire. Cette caractéristique propose une voix intéressante pour la préparation de surfaces nano-structurées. La couche monomoléculaire du poly(acrylate de tert-butyle)-bloc-poly(méthacrylate de méthyle) déposée à l'interface air-eau produit une séparation de phases en deux dimensions qui donne lieu à une surface composée de domaines. La taille de ces domaines correspond aux dimensions moléculaires qui sont elles-mêmes reliées aux masses moléculaires des blocs. Cette structure est conservée lors du transfert de la monocouche sur un substrat solide par la technique de Langmuir-Blodgett et la morphologie peut donc être étudiée par la microscopie à force atomique (AFM). Nos recherches portent sur l'étude de la taille et de l'organisation de ces domaines dans les films monomoléculaires. Nous avons synthétisé le poly(acrylate de tert-butyle) et le poly(acrylate de tert-butyle)-bloc-poly(méthacrylate de méthyle) par polymérisation anionique afin d'obtenir des échantillons monodisperses de différentes masses molaires. Par la suite, la morphologie des films minces monomoléculaires est étudiée par la microscopie à force atomique. Les images de microscopie à force atomique montrent une structure périodique composée de domaines. Étonnamment, des images semblables sont obtenues pour les échantillons d'homopolymères. Une hypothèse envisagée est que l'utilisation d'a-méthyle styrène lors de l'initiation de la polymérisation pourrait donner un très pefit bloc poly(a-méthyle styrène) au début de la molécule et ainsi induire la formation de micelles. Des images AFM de nouveaux polymères synthétisés sans l'a-méthyle styrène ne montrent pas la présence de domaines. Donc, il n'y aurait pas, dans ce cas, présence de micelles de surfaces à l'interface air-eau.

Au cours des 25 dernières années, l’intérêt pour l’utilisation de semi-conducteurs organiques comme couche active dans les transistors à effet de champ (TOECs), à la place du silicium, a crû spectaculairement. L’utilisation de polymères π-conjugués dans ce domaine a grandement entraîné cet essor. Au fil du temps, on observe une amélioration des performances atteintes contribuant à l’émergence de nouveaux matériaux. Par contre, différents paramètres tels que la mobilité et la stabilité demeurent moins impressionnants que ceux des semi-conducteurs à base de matériaux inorganiques. De meilleurs résultats pourraient être obtenus si le transport de charges se faisait sans entraves. Ainsi, une très bonne organisation au sein des matériaux utilisés est nécessaire. Dans cette optique, des polymères conjugués amphiphiles constitués d’unités thiéno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD) ont été synthétisés. En se servant de la technique Langmuir-Blodgett (LB) pour optimiser l’organisation des molécules au sein des films, il a été possible de réaliser des films stables avec des pressions de collapse de 60 mN/m. Les microscopies à angle de Brewster (BAM) et à force atomique (AFM) nous ont démontré l’homogénéité des films à l’interface air-eau (BAM) et une fois transférés sur un substrat solide (AFM). L’orientation a été étudiée principalement par spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée (ATR). D’autres techniques spectroscopiques comme l’UV-visible, la spectroscopie infrarouge de réflexion absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) et l’ellipsométrie ont permis de corroborer les résultats obtenus via l’ATR. Les mesures ont permis de confirmer l’obtention de l’orientation préférentielle hors du plan. Pour compléter ce projet, des tests ont été effectués avec des transistors organiques. Des valeurs de mobilité intéressantes de 1,2 × 10-3 cm2/(V.s) ont été enregistrées pour des transistors obtenus à partir de films LB. / Over the past 25 years, interest in the use of organic semiconductors as active layers in field effect transistors (TFTs) instead of silicon has grown dramatically. The use of π-conjugated polymers in this area has greatly driven this growth. Over time, there has been an improvement in performance achieved contributing to the emergence of new materials. However, the performances of organic semiconductors remains inferior that of their inorganic counterpart regarding parameters such as the mobility and stability. Better results could be achieved if the charge transport was done without hindrance. Thus, a very good organiza- tion within the material is needed. In this regard, amphiphilic polymers based on thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD) units were synthesized. By using the Langmuir-Blodgett technique (LB) to optimize the organization of the molecules within the films, it was possible to achieve stable films with a collapse pressure of 60 mN/m. Brewster angle (BAM) and atomic force (AFM) microscopies have demonstrated that homogeneous films are obtained at the air-water interface (BAM) and remain so once transferred onto a solid substrate (AFM). Orientation has been studied mainly by attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR). Other spectroscopic techniques such as UV-visible, absorption polarization modulation infrared reflection spectroscopy (PM-IRRAS) and ellipsometry have confirmed the ATR results. Measurements show that molecules adopted an edge-on orientation in the polymer films. To complete this project, organic transistors were fabricated. Interesting mobility values of 1.2 × 10-3 cm2/(V.s) were recorded for organic LB film transistors.

Les puroindolines (isoformes a et b) sont des protéines extraites du grain de blé et dont la structure est stabilisée par cinq ponts disulfure. La pin-a possède un domaine unique riche en tryptophane (WRWWKWWK) qui est tronqué dans le cas de la pin-b (WPTKWWK). Les deux galactolipides majeurs de l'endosperme du blé, MGDG et DGDG, ont été extraits et purifiés. Les études ont été réalisées à l'interface liquide/air et en dispersion aqueuse grâce à des techniques appropriées : tensiométrie, ellipsométrie, microscopies à l'angle de Brewster et à force atomique, techniques spectroscopiques (PM-IRRAS, Raman, ATR), et diffraction des rayons X. Les lipides ainsi que leur mélange équimolaire montrent des propriétés spécifiques attribuées aux fortes interactions entre les têtes polaires galactosyl. La pin-a et la pin-b présentent des propriétés similaires, en particulier une forte activité à l'interface. Finalement, l'étude des interactions protéine/lipide montre que la pin-a interagit plus fortement avec les galactolipides en formant des structures (réseaux) qui pourraient être à l'origine de la forte stabilité des mousses pin-a/lipide.

Le travail suivant est consacré d'une part à l'emploi du calix[4]arène comme une plate-forme organisatrice de principes actifs pour la conception de nouvelles prodrogues. Ce concept a été développé avec des substances antibactériennes ou antivirales, choisies comme modèles. Les conjugués calixarène - anti-infectieux ainsi synthétisés sont amphiphiles et insolubles dans l'eau. Leur comportement interfacial a été étudié via l'interface eau-air, mime d'une interface hydrophile-hydrophobe physiologique, à l'aide de la technique des films monomoléculaires de Langmuir. Nos résultats indiquent que ces prodrogues étalées à l'interface eau-air peuvent libérer leurs principes actifs dans la sous-phase. La méthodologie développée pour ces études de réactivité interfaciale pourrait à l'avenir être appliquée à d'autres prodrogues à base de calix[4]arène. Un second projet a concerné le trifluoroacétate de tétra-p-(guanidinoéthyl)-calix[4]arène (CX1). Ce composé présente des propriétés antibactériennes à large spectre, couplées à une faible toxicité cellulaire. Nos travaux ont visé à mieux comprendre son mode d'action, lié à une perturbation des parois bactériennes, par une approche physico-chimique. La technique de Langmuir a donc été employée afin d'étudier les interactions entre le CX1 et des films monomoléculaires de phospholipides étalés à l'interface eau-air, utilisés comme modèles de membrane bactérienne. Nos résultats nous ont permis de proposer un mode d'organisation des membranes bactériennes sous l'influence du CX1. Nous avons ainsi apporté des précisions sur son mécanisme d'action qui pourraient être utiles dans le développement de nouveaux calixarènes antibactériens / This work begins with utilization of the calix[4]arene macrocycle as organizing platform of anti-infectious molecules shaped as prodrug. The concept has been explored using antibacterial (nalidixic acid) and antiviral (aciclovir, ganciclovir) molecules, chosen as models. The calixarene - anti-infectious conjugates synthesized have amphiphilic structure and are insoluble in aqueous media. Their interfacial behavior was studied via the air-water interface, considered as mimic of biological hydrophilic-hydrophobic interfaces, using Langmuir monolayers technique. Our results indicate that calixarene-based prodrugs spread at the air-water interface are able to release anti-infectious molecules into the subphase. The original methodology employed for interfacial reactivity studies could be applied to further calixarene-based prodrugs. A second project concerns the trifluoroacetate salt of tetra-p-(guanidinoethyl)-calix[4]arene (CX1). CX1 is antibacterial, active against various Gram-positive and Gram-negative bacteria, with low eukaryotic cell toxicity. The aim of our work was to get more insight in the mechanism of action of CX1, involving bacterial wall disruption, by a physico-chemical approach. The Langmuir monolayers technique was employed in order to study interactions between CX1 and phospholipid monolayers spread at the air-water interface, used as models of bacterial membranes. Our results led us to propose a particular reorganization mode of bacterial membranes upon interactions with CX1. This proposal gives more understanding in the mechanism of biological activity of CX1, and could be helpful in developing new antibacterial calixarene derivatives