Among the myraid energy storage technologies, polymer electrolytes have been widely employed in diverse applications such as fuel cell membranes, battery separators, mechanical actuators, reverse-osmosis membranes and solar cells. The polymer electrolytes used for these applications usually require a combination of properties, including anisotropic orientation, tunable modulus, high ionic conductivity, light weight, high thermal stability and low cost. These critical properties have motivated researchers to find next-generation polymer electrolytes, for example ion gels. This dissertation aims to develop and characterize a new class of ion gel electrolytes based on ionic liquids and a rigid-rod polyelectrolyte. The rigid-rod polyelectrolyte poly (2,2'-disulfonyl-4,4'-benzidine terephthalamide) (PBDT) is a water-miscible system and forms a liquid crystal phase above a critical concentration. The diverse properties and broad applications of this rigid-rod polyelectrolyte may originate from the double helical conformation of PBDT molecular chains. We primarily develop an ionic liquid-based polymer gel electrolyte that possesses the following exceptional combination of properties: transport anisotropy up to 3.5×, high ionic conductivity (up to 8 mS cm⁻¹), widely tunable modulus (0.03 – 3 GPa) and high thermal stability (up to 300°C). This unique platform that combines ionic liquid and polyelectrolyte is essential to develop more advanced materials for broader applications. After we obtain the ion gels, we then mainly focus on modifying and then applying them in Li-metal batteries. As a next generation of Li batteries, the Li-metal battery offers higher energy capacity compared to the current Li-ion battery, thus satisfying our requirements in developing longer-lasting batteries for portable devices and even electric vehicles. However, Li dendrite growth on the Li metal anode has limited the pratical application of Li-metal batteries. This unexpected Li dendrite growth can be suppressed by developing polymer separators with high modulus (~ Gpa), while maintaining enough ionic conductivity (~ 1 mS/cm). Here, we describe an advanced solid-state electrolyte based on a sulfonated aramid rigid-rod polymer, an ionic liquid (IL), and a lithium salt, showing promise to make a breakthrough. This unique fabrication platform can be a milestone in discovering next-generation electrolyte materials. / Ph. D.

L'objectif de cette thèse est de créer de nouveaux mélanges thermoplastiques présentant une processabilité accrue comparée à des matrices thermoplastiques hautes performances utilisées dans l'industrie aéronautique. Ces matériaux ont vocation à être intégrés en atmosphère avionique pressurisée. Afin de combler le cahier des charges imposé par le domaine aéronautique, le choix des matériaux s'est porté sur un mélange incompatible de polyétheréthercétone PEEK et de polymères à cristaux liquides LCP présentant une morphologie fibrillaire développée grâce à des conditions particulières d'écoulement lors de la mise en oeuvre.Dans un premier temps, les propriétés rhéologiques des matériaux sont caractérisées de manière à confirmer le respect des spécifications relatives à leur processabilité. La compréhension des phénomènes régissant la baisse de viscosité du mélange permet d'assurer la répétabilité et la reproductibilité des performances rhéologiques en vue d'un transfert industriel. L'étude se concentre ensuite sur les propriétés de cristallinité des mélanges, qui permettent de déterminer que la présence de deux matériaux semi-cristallins au sein d'une même structure ne perturbe pas leurs propriétés de cristallinité garantes de leurs performances thermomécaniques.Enfin, une campagne de caractérisation complète est effectuée afin de dresser une fiche matière et de la comparer aux spécifications exigées par l'industrie aéronautique. / The aim of this thesis is to create new thermoplastic blends exhibiting improved processability incomparison with high performance aeronautical thermoplastics. These materials are dedicated tointegrating pressurized avionic structures.To reach the specific aeronautical specifications, an incompatible polymer blend made ofpolyetheretherketone PEEK and liquid crystalline polymers LCP is chosen. The particular flow conditionsset for the compounding ensure the blend a fibrillar morphology.First, the material rheological properties are characterized so as to confirm that the processabilityspecifications are met. The viscosity drop causes are explained and grant the maintaining of therheological performances in any processing configuration.The study then focuses on the blend crystallinity properties in order to determine whether two interlinkedsemi-crystalline structures do not impede the thermomechanical performances.At last, a characterization campaign is led to compare the blend performances with the demandedaeronautical specifications.

A modulação da penetração de fármacos na/através da pele representa um desafio para sobrepor o efeito barreira proporcionado pela camada mais externa da pele, o estrato córneo. Sistemas de liberação nanoestruturados e funcionalizados representam uma importante estratégia para promover a penetração de fármacos nas camadas mais profundas da pele. O ácido lipóico (AL) é uma molécula com atividade antioxidante e constitui terapia antioxidante tópica para tratamento de estresse oxidativo e inflamação recorrente em patologias cutâneas. A encapsulação de AL em nanodispersões líquido-cristalinas (NDLCs) funcionalizadas com os peptídeos de penetração celular (PPCs), a saber, os peptídeos D4 e TAT, visa promover a liberação de AL em camadas específicas da pele através de uma estratégia inovadora associando tanto as vantagens de um sistema nanoparticulado como a superfície modificada para melhorar a interação com células e tecido-alvos. Nesse trabalho, foram desenvolvidos e validados métodos de cromatografia líquida de alta eficiência com detectores ultravioleta, eletroquímico e espalhamento de luz evaporativo específicos para quantificação do AL em várias faixas de linearidade para as diferentes etapas experimentais. As NDLCs foram preparadas com monooleato de glicerila, ácido oleico, lipopolímeros, peptídeos TAT e D4 em diversas proporções e associações. NDLCs foram caracterizadas por diferentes métodos. A microscopia de luz polarizada e difração de raios X de baixo ângulo identificaram o sistema líquido-cristalino como fase hexagonal reversa. As técnicas de espalhamento dinâmico de luz e análise de rastreamento mostraram nanopartículas na ordem de 200 nm, estreito índice de polidispersividade, portencial zeta negativo e número de partículas por mL na faixa de 1012. A eficiência de encapsulação foi em torno de 79% e a capacidade de carga (drug loading) de AL nas NDLCs atinigiu 15%. A avaliação de comportamento e ação in vitro das NDLCs foi estudada em queratinócitos e fibroblastos, evidenciando que o tratamento com as NDLCs não diminuiu a viabilidade celular nas células estudadas. A internalização celular das NDLCs comprovada por microscopia confocal a laser e citometria de fluxo foi aumentada com a funcionalização com peptídeo D4 de maneira dependente da concentração e do tempo de incubação e com peptídeo TAT por mecanismo inespecífico. Em estudos de permeação in vitro foi demonstrada a penetração cutânea aumentada de AL a partir das NDLCs. Ensaio in vivo com camundongos hairless expostos à radiação UVB evidenciou a eficácia das NDLCs contendo AL pela atividade de mieloperoxidase ter sido diminuída, além de menor liberação da citocina inflamatória TNF-?, mostrando que as NDLCs desenvolvidas podem ser uma opção de tratamento tópico contra processos de estresse oxidativo e inflamação presentes no envelhecimento cutâneo e outras desordens cutâneas. / The modulation of drug penetration into/ through the skin presents a challenge to overcome the barrier effect provided by the outermost layer of skin, the stratum corneum. Nanostructured and functionalized delivery systems represent an important strategy for promoting drugs penetration into the deeper layers of the skin. Lipoic acid (LA) is a molecule with antioxidant activity and it has application in topical antioxidant therapy for the treatments of oxidative stress and cutaneous inflammation pathologies . LA encapsulation into liquid crystalline nanodispersions (LCNDs) functionalized with cell penetrating peptides (CPPs), namely, D4 and TAT peptides, aims to promote LA release in specific layers of the skin through an innovative strategy combining both the advantages of nanoparticulate system with modified particle surface to enhance the interaction with cell and tissue-targets. In this work, we developed and validated high performance liquid chromatography methods with ultraviolet, electrochemical and evaporative light scattering detectors aiming to achieve specificity to assay LA in several linearity ranges for the different experimental stages. The NDLCs were prepared with glyceryl monooleate, oleic acid, lipopolymers, TAT and D4 peptides in various ratios and associations. LCNDs were characterized by several methods. The polarized light microscopy and small angle Xray diffraction identified the liquid crystalline system as reverse hexagonal phase. Techniques of dynamic light scattering and nanotracking analysis showed nanoparticles in the order of 200 nm, narrow polydispersity index, negative zeta potential and number of particles per mL in the range of 1012. The encapsulation efficiency was around 79%, and LA drug loading in LCNDs reached 15%. Assessment of in vitro behavior and effect of LCNDs was studied in keratinocytes and fibroblasts, demonstrating that LCNDs treatment did not decrease cell viability for studied cells. The cell internalization of LCNDs demonstrated by confocal laser microscopy and flow cytometry was increased by functionalization with D4 peptide in concentration and time of incubation dependent manners and with TAT peptide in a nonspecific mechanism. In vitro permeation studies demonstrated the increased skin penetration of LCNDs loaded LA. In vivo assay with hairless mice exposed to UVB radiation evidenced the efficacy of LCNDs loaded LA by myeloperoxidase activity have been reduced, also reduced release of inflammatory cytokine TNF-?, indicating that the developed LCNDs can be an alternative for topical treatment against processes of oxidative stress and inflammation present in skin aging and other skin disorders.

The emergence of multi-band communications standards, and the fast pace of the consumer electronics markets for wireless/cellular applications emphasize the need for fast design closure. In addition, there is a need for electronic product designers to collaborate with manufacturers, gain essential knowledge regarding the manufacturing facilities and the processes, and apply this knowledge during the design process. In this dissertation, efficient layout-level circuit sizing techniques, and methodologies for design-for-manufacturability have been investigated. For cost-effective fabrication of RF modules on emerging technologies, there is a clear need for design cycle time reduction of passive and active RF modules. This is important since new technologies lack extensive design libraries and layout-level electromagnetic (EM) optimization of RF circuits become the major bottleneck for reduced design time. In addition, the design of multi-band RF circuits requires precise control of design specifications that are partially satisfied due to manufacturing variations, resulting in yield loss. In this work, a broadband modeling and a layout-level sizing technique for embedded inductors/capacitors in multilayer substrate has been presented. The methodology employs artificial neural networks to develop a neuro-model for the embedded passives. Secondly, a layout-level sizing technique for RF passive circuits with quasi-lumped embedded inductors and capacitors has been demonstrated. The sizing technique is based on the circuit augmentation technique and a linear optimization framework. In addition, this dissertation presents a layout-level, multi-domain DFM methodology and yield optimization technique for RF circuits for SOP-based wireless applications. The proposed statistical analysis framework is based on layout segmentation, lumped element modeling, sensitivity analysis, and extraction of probability density functions using convolution methods. The statistical analysis takes into account the effect of thermo-mechanical stress and process variations that are incurred in batch fabrication. Yield enhancement and optimization methods based on joint probability functions and constraint-based convex programming has also been presented. The results in this work have been demonstrated to show good correlation with measurement data.

Η μοριακή αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός πολύπλοκων μορίων που περιέχουν φουλλερένια αντιπροσωπεύει ένα πεδίο της υπερμοριακής επιστήμης στο οποίο προσφάτως αναπτύσσεται έντονη ερευνητική δραστηριότητα. Η κατάλληλη «χημική τροποποίηση του φουλλερένιου» έχει οδηγήσει στον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας υγροκρυσταλλικών παραγώγων του. Στην παρούσα διατριβή, με την εισαγωγή μιας απλής μοριακής θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας και με υπολογιστικές προσομοιώσεις, προσπαθούμε να συνδέσουμε την αυτοοργάνωση που εκδηλώνουν αυτά τα συστήματα με την μοριακή τους δομή και τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις. Στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια αναδρομή στο μόριο φουλλερένιο και στις χημικές δομές αυτού, που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε σχέση με υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Παρουσιάζουμε εν συντομία, με μια φαινομενολογική περιγραφή και ταξινόμηση, τις υγροκρυσταλλικές φάσεις που θα συναντήσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, αναφερόμαστε στις μεθόδους που χρησιμοποιούμε για τη θεωρητική μελέτη φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η στατιστική μηχανική και θερμοδυναμική εύκαμπτων μεγαλομοριακών συστημάτων. Προχωράμε στη διατύπωση της ακριβούς έκφασης της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz στην κανονική συλλογή (NVT) για ένα μονοσυστατικό σύστημα εύκαμπτων μεγαλομορίων. Εισάγουμε την προσέγγιση των αλληλομετατρεπόμενων μοριακών «σχημάτων», ομαδοποιώντας τις μοριακές διαμορφώσεις σε έναν ορισμένο αριθμό «σχημάτων», ορίζουμε τη συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου και αναπτύσσουμε την ελεύθερη ενέργεια σε σειρά χρησιμοποιώντας τη θεωρία των μεταβολών. Λαμβάνουμε μια προσεγγιστική έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια κρατώντας τους όρους που προέρχονται από δυάδες ταυτόχρονα αλληλεπιδρώντων μορίων, αγνοώντας τους υπόλοιπους όρους. Δίνουμε τις αντίστοιχες εκφράσεις ανάλογα με τις συμμετρίες της υγρο-κρυσταλλικής φάσης, για τη μελέτη μοριακών συστημάτων των οποίων τα μόρια μπορούν να λαμβάνουν διάφορα σχήματα. Αναπτύσσουμε τις θερμοδυναμικές εκφράσεις για την περιγραφή των μετατροπών φάσης. Να σημειώσουμε ότι η συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου είναι γινόμενο δύο παραγώντων: ο πρώτος όρος σχετίζεται με την πιθανότητα εύρεσης του απομονωμένου μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και ο δεύτερος με την πιθανότητα εύρεσης του μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και διευθέτηση στο υλικό. Γενικεύουμε την παραπάνω μεθοδολογία, στη μελέτη συστημάτων που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα είδη εύκαμπτων μορίων. Στο τρίτο κεφάλαιο εφαρμόζουμε την θεωρία των αλληλομετατρεπόμενων σχημάτων, για τη μελέτη της φασικής συμπεριφοράς τηγμάτων αδροποιημένων φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Κάθε μόριο φουλλερενικού υγρού κρύσταλλου (ΥΚ) υποδιαιρείται σε έναν αριθμό τμημάτων ορισμένου τύπου. Εισάγουμε τρείς τύπους τμημάτων που αντιστοιχούν σε φουλλερενικές μονάδες, σε μεσογόνες μονάδες και σε μη μεσογόνες ή συνδετικές ομάδες. Η διαμοριακή αλληλεπίδραση υπολογίζεται με άθροιση επάνω σε όλα τα δυνατά ζεύγη τμημάτων μεταξύ δύο μορίων. Η κίνηση και η περιστροφή των μορίων θεωρούμε ότι πραγματοποιείται σε ένα κυβικό πλέγμα, και η μοριακή ευκαμψία εισάγεται επιπτρέποντας να λαμβάνουν έναν ελάχιστο αριθμό αντιπροσωπευτικών μοριακών σχημάτων, στο πλαίσιο της αναπαράστασής τους στο κυβικό πλέγμα. Πραγματοποιούνται υπολογισμοί για μια ποικιλία μοριακών αρχιτεκτονικών, που περιλαμβάνουν φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους μεσογόνους βραχίονες, φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους δενδριτικούς βραχίονες, και κωνικούς ή πυραμιδικούς φουλλερενικούς ΥΚ με απευθείας συνδεδεμένα μεσογόνα στην επιφάνεια του φουλλερένιου. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί αναπαράγουν σε εντυπωσιακά καλή συμφωνία τον υγροκρυσταλλικό πολυμορφισμό; τα σύνορα ευστάθειας των υγροκρυσταλλικών φάσεων, καθώς και η μοριακή οργάνωση σε αυτά, κατανοούνται με όρους διαμοριακών αλληλεπιδράσεων και μοριακής ευκαμψίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνούμε την φασική συμπεριφορά μιγμάτων άκαμπτων σωματιδίων. Τα σωματίδια κινούνται και περιστρέφονται σε ένα κυβικό πλέγμα. «Χτίζονται» από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων όπου καθένα έχει το μέγεθος μιας πλεγματικής κυψελίδας του κυβικού πλέγματος. Αρχικά, εξετάζουμε μίγματα αδροποιημένων φουλλερένιων (που καταλαμβάνουν μια πλεγματική κυψελίδα) με ραβδόμορφα και αλληλεπιδρούν με «σκληρές» αλληλεπιδράσεις. Διερευνούμε την εκδήλωση σμηκτικής, νηματικής ή ισότροπης συμπεριφοράς για κάθε συστατικό. Βρίσκουμε ότι εμφανίζουν σύνθετη φασική συμπεριφορά που συνίσταται στην συνύπαρξη δύο ή περισσοτέρων φάσεων εκ των οποίων μια τουλάχιστον είναι υγροκρυσταλλική (νηματική ή σμηκτική). Η σμηκτική φάση αποτελείται από διαδοχικά στρώματα ράβδων που εναλλάσσονται από υποστρώματα φουλλερένιων. Ελέγχουμε την αξιοπιστία της θεωρίας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε με την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε θεωρητικά αποτελέσματα για παρόμοια συστήματα. Διαπιστώνουμε συμφωνία ως προς την φασική συμπεριφορά και την οργάνωση μέσα στην σμηκτική φάση και προχωράμε σε προβλέψεις. Διερευνούμε τον ρόλο της «μη φιλικότητας» των σωματιδίων στην φασική συμπεριφορά, ενισχύοντας την «φοβικότητα» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων (μέσω τροποιήσης του διασωματιδιακού δυναμικού αλληλεπίδρασης). Οι υγροκρυσταλλικές φάσεις τότε μπορούν να «υποστηρίξουν» μικρότερες ποσότητες φουλλερενίων, ενώ η σμηκτική φάση (με υποστρώματα φουλλερενίων) καθίσταται ευσταθής σε μια στενή περιοχή του διαγράμματος φάσης πίεσης - συγκέντρωσης. Στην συνέχεια εξετάσαμε μίγματα δισκόμορφων σωματιδίων και φουλλερένιων και την σχετική ευστάθεια στην εκδήλωση ισότροπης, νηματικής, σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με «σκληρό» δυναμικό ενώ στην συνέχεια, εξετάζουμε και την επίδραση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων στη φασική συμπεριφορά. Η σμηκτική φάση είναι απούσα σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσαμε; παρατηρούμε θερμοδυναμικά ευσταθείς κιονική και νηματική. Και πάλι διαπιστώνουμε ότι η ενίσχυση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων έχει σαν αποτέλεσμα στις υγροκρυσταλλικές φάσεις να αναμιγνύονται μικρότερες ποσότητες φουλλερένιων. Για λόγους πληρότητας σε σχέση με τα παραπάνω συστήματα, εξετάσαμε μίγματα σωματιδίων από συστατικά που το καθένα μπορεί να εκδηλώσει ΥΚ συμπεριφορά, δηλαδή μίγματα δισκόμορφων με ραβδόμορφα σωματίδια. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν αποκλειστικά με «σκληρό» δυναμικό. Λαμβάνουμε ποιοτικά αποδεκτά αποτελέσματα όσον αφορά την τοπολογία του διαγράμματος φάσης στην περιοχή συνύπαρξης νηματικής καλαμιτικής και νηματικής δισκοτικής φάσης. Επιπρόσθετα προβλέπουμε την συνύπαρξη νηματικής καλαμιτικής με κιονική φάση. Τα αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου μπορούν να χρησιμεύσουν για την μελέτη περισσότερο πολύπλοκων συστημάτων, που θα περιλαμβάνουν μόρια τα οποία μπορούν να λάβουν περισσότερες από μια διαμόρφωση, και διαφορετική παραμετρικοποίηση στα δυναμικά αλληλεπίδρασης. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά αδροποιημένων φουλλερενικών ΥΚ που περιλαμβάνουν δενδριμερή τύπου Percec. Τήγματα των παραπάνω φουλλερενικών ΥΚ εκδηλώνουν κιονική φάση. Στη μοντελοποίηση των μορίων ομαδοποιούμε τις μοριακές διαμορφώσεις σε ένα μοριακό σχήμα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιούνται σε ένα κυβικό πλέγμα. Τα μόρια αποτελούνται από ένα φουλλερένιο (που καταλαμβάνει ένα τμήμα -μια πλεγματική κυψελίδα- ) και από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, για την περιγραφή του δενδριτικού μέρους του μορίου. Σε μια ευρεία περιοχή των υπολογισμένων, με τη μοριακή θεωρία, διαγραμμάτων φάσης εκδηλώνουν κιονική συμπεριφορά; τα μόρια στην κιονική φάση αυτοσυναρμολογούνται σε δισκόμορφες πεπλατυσμένες υπερμοριακές δομές οι οποίες με την σειρά τους τοποθετούνται η μια πάνω στην άλλη σχηματίζοντας κίονες. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε ποιοτική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα ανάλογων συστημάτων. Μεταβάλλοντας τη «φοβικότητα» φουλλερένιων - δενδριτικών τμημάτων παρατηρούμε την εμφάνιση δύο σμηκτικών φάσεων που διαφέρουν στον βαθμό αλληλοδιείσδυσης των δενδριτικών μερών μέσα στο σμηκτικό στρώμα. Στην συνέχεια εξετάσαμε την επίδραση που έχει στη φασική συμπεριφορά αυτών των τηγμάτων φουλλερενικών ΥΚ η προσθήκη φουλλερένιων. Η οργανωμένη κιονική φάση του μίγματος μπορεί να υποστηρίξει μικρές ποσότητες «ελεύθερων» φουλλερενίων τα οποία διατάσσονται γύρω από τους άξονες των κιόνων. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά μονοσυστατικών κωνικών (ή πυραμιδικών) φουλλερενικών ΥΚ με την εκτέλεση μοριακών προσομοιώσεων Monte Carlo (NVT) σε κυβικό πλέγμα. Αρχικά, εκτελούμε μοριακές προσομοιώσεις αθερμικoύ σύστηματος (με διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στερικής άπωσης) για μια σειρά πυκνοτήτων και διαπιστώνουμε ότι το σύστημα μεταβαίνει από μια κιονική φάση στην ισότροπη. Στην συνέχεια θέτουμε την παραμετρικοποίηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων ίδια με εκείνη των αντίστοιχων μοριακών συστημάτων που μελετήσαμε με θεωρία στο τρίτο κεφάλαιο. Εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά του συστήματος σε ορισμένη πυκνότητα, για μια σειρά θερμοκρασιών. Παρατηρούμε ότι εμφανίζεται μια μετατροπή φάσης, ισότροπης σε μια απολική τετραγωνική κιονική φάση τόσο κατά την ψύξη όσο και κατά την θέρμανση. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λαμβάνουμε δεν μπορούν να συγκριθούν με το πλήρες θεωρητικό διάγραμμα που παρέχει η μοριακή θεωρία για αυτά τα συστήματα, επειδή στις μοριακές προσομοιώσεις που εκτελέσαμε εστιάσαμε σε ορισμένη πυκνότητα. Επιτυγχάνεται ποιοτική συμφωνία ως προς την πρόβλεψη εμφάνισης κιονικής φάσης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα της διατριβής. / The covalent linkage of [C60] fullerene to liquid crystalline (LC) chemical compounds has produced a great variety of non-conventional liquid crystals. Herein, we introduce a coarse grained description for the molecular modeling of these systems which takes into account the elements of primary importance for their mesomorphic behavior: the global molecular shape, the molecular flexibility and the submolecular partitioning into chemically distinct regions. A simple molecular theory and computer simulations studies are used to relate the self-organization exhibited by these systems to their molecular structure. The molecules are constructed by a number of submolecular blocks to which specific block-block interactions are assigned. We have introduced three different types of blocks: fullerene units, mesogenic units and non-mesogenic units (i.e. flexible spacers and linkage groups). The total interaction of the molecular ensemble is then built up as a combination of all block - block interactions within the ensemble. For reasons of simplicity, the molecules are constrained to move and rotate in a cubic lattice. The theoretical calculations are initially applied to a variety of mono dispersed fullerene containing LCs, including: twin mesogenic branch monoadducts of C60, twin dendromesogenic branch monoadducts of C60, simple dendromesogenic branch monoadducts and conical (badminton shuttlecock) multiadducts of C60. The latter system is also studied by computer simulations. In spite of its many simplifications, the coarse-grained molecular model accounts remarkably well for the phase polymorphism of these systems and offers valuable insights into the conformational aspects of the phase transitions. Keeping the simplicity of the above modeling, the phase behavior of binary mixtures of "fullerene" with anisotropic particle (rodlike or disklike) and binary mixtures of rodlike and disklike particles is also studied. We compare the predicted phase behavior with the existing theoretical (hard rodlike and disklike particles) and experimental (colloidal systems) results. Finally attempts are made to study how the molecular organization of mono dispersed fullerene containing LC systems is influenced by the addition of non-bonded fullerenes. The theoretical approach is quite general and can be applied to a variety of systems such as, liquid crystalline dendrimers and mixtures of colloidal particles.

Controlling the micro-structure of organic materials is crucial for a variety of practical applications such as photonics, biomedicine or the rapidly growing field of organic electronics. Recent studies have shown a possibility of tailoring the polymer structure on the nanoscale using supramolecular self-assembly under spatial confinement. Despite extensive studies already performed in this field, many questions remain open. In particular, it will be important to understand how different structure formation processes such as crystallization, LC-phase formation, microphase separation, and others occur under confinement. In the present work, we address the effect of 1D- and 2D-confinement on the structure formation for a variety of systems including segmented poly(ether-ester-amide) (PEEA) copolymers, main-chain liquid-crystalline (LC) polymers belonging to the family of poly(di-n-alkylsiloxane)s and liquid-crystalline/semicrystalline block copolymers formed through complexation of poly (2-vinylpyridine-b-ethylene oxide) (P2VP-PEO) with a wedge-shaped ligand, 4'-(3'',4'',5''-tris(octyloxy) benzamido) propanoic acid. In order to reveal the morphological diversity of the studied systems under confinement, the work was carried out on bulk materials and on thin films employing a battery of experimental methods. The main experimental techniques operational in direct and reciprocal space applied in my work are described in chapter 2. [...]

Colloidal assemblies of surfactants and polymers in aqueous solutions have been used by human mankind for hundreds of years and they are of great importance in many of our technological processes, such as fabrication of soap and papermaking. Less than two decades ago the idea of using colloidal assemblies as templates of inorganic materials was borne. A new population of materials, referred to as surfactant templated materials, took form. These materials showed extraordinary properties such as monodisperse pore size distribution, large surface areas and pore volumes.   The main focus of this thesis has been on synthesis and functionalisation of spherical mesostructured silica particulate materials. In the first part of the work, mesostructured materials with expanded pores have been produced using a well established aerosol-based method as well as the newly developed emulsion and solvent evaporation (ESE) method. Increase in pore size was realized through using Pluronic block copolymer F127 together with a swelling agent poly(propylene glycol) as template. The influence of the swelling agent on pore size expansion was shown to have a roughly linear relationship. Furthermore, the impact of synthesis parameters on internal and exterior morphology has been investigated. Accessibility of the internal pore space, as well as the external surface roughness were shown to be highly dependent on synthesis temperature. Additionally, a very interesting well ordered 3D closed packed (P63/mmc) material was produced using the ionic surfactant C16TAB as template in the ESE method.   In the second part of the thesis work, mesoporous spheres with large pore size, having either hydrophilic or hydrophobic surface properties, were used as carriers of an enzyme, lipase. The enzymatic activity of lipase was increased onto the hydrophobic surface, compared to lipase immobilized into the hydrophilic support as well as for lipase free in solution. This effect was probably due to a combination of enhanced hydrophobic interactions preventing denaturation of the enzyme and interfacial activation of the enzyme.  This study generated an inorganic carrier material that is a promising candidate for biocatalysis applications. Additionally, mesoporous spheres were used as carriers of a model drug, Ibuprofen, to study the effect of polyelectrolyte multilayers on release properties. However, these layers were shown impermeable independent on pH and the substance was only released from uncoated particles. / <p>QC 20100811</p>

No description available.

Comme je suis particulièrement intéressé par les nanosciences et les nombreuses applications des nanotechnologies, je me suis penché sur le développement de méthodes de fabrication de nanoparticules ultra-petites dont les fonctions peuvent être ajustées avec précision. Récemment, une nouvelle technologie appelée « technologie d’une seule chaîne », c’est-à-dire qui utilise une seule chaîne polymère, est devenue un sujet de recherche de plus en plus motivant pour la communauté scientifique. Cette technologie a l’avantage de dépendre d’une méthode facile de préparation de nanoparticules polymères d’une seule chaîne (SCNPs) et ayant des dimensions typiques de 1,5 à 20 nm. Leurs tailles ultra petites leur confèrent des propriétés spécifiques, ce qui permet de les utiliser comme capteurs, systèmes catalytiques, revêtements à faible viscosité, nanoréacteurs ou pour des applications biomédicales. Grâce aux contributions de nombreux scientifiques durant la dernière décennie, les méthodes de synthèse des SCNPs sont devenues très variées et représentent une technologie désormais mature. Néanmoins, de nombreux problèmes sont à résoudre dans ce domaine, ce qui permettra d’ajouter de nouvelles fonctions ou de les valoriser pour de nouvelles applications. Les polymères sensibles à plusieurs stimuli sont une classe de matériaux intelligents dont les propriétés peuvent être modifiées par l’application d’un stimulus extérieur. Ils sont utilisés extensivement dans les domaines énergétique et biomédical. Comme leurs propriétés physiques et chimiques peuvent être modifiées aisément et efficacement par un contrôle de leur environnement externe, ces polymères sont des candidats pour fabriquer de nouvelles SCNPs. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement de SCNPs ayant de multiples fonctionnalités car cela permet d’ouvrir la voie pour de nouvelles applications. Pour cela, de nombreux polymères sensibles à plusieurs stimuli ont été préparés comme précurseurs à des SCNPs. En concevant spécifiquement ces polymères, il fut possible d’ajouter leurs propriétés de réponse à des stimuli dans les systèmes SCNPs. Le cœur même de cette thèse consiste en trois projets qui utilisèrent trois classes de SCNPs provenant de polymères sensibles aux stimuli. Grâce à leur réponse à plusieurs stimuli, ces SCNPs remplirent de nombreuses fonctions et subirent des modifications soit de leur structure, soit de leur morphologie, soit de leurs propriétés. Et en plus de la variété de fonctions, chaque classe de SCNPs a le potentiel pour de nombreuses applications. Dans la première étude présentée dans cette thèse (chapitre 1), nous avons préparé une classe de SCNPs photodégradables ayant une taille ajustable et inférieure à 10 nm. Il s’agit de polyesters rendus photosensibles par la présence de coumarines à l’intérieur de la chaîne principale (nommés CAPPG) grâce à la copolymérisation de coumarine diol, d’acide adipique et de propylène glycol (PPG). Cette incorporation de coumarines dans la chaîne principale permet au polymère d’être photosensible par deux façons. En effet, les coumarines peuvent se photo-dimériser, lorsqu’elles sont irradiées par des rayonnements UV (> 320 nm) en des cyclobutanes qui peuvent être ouverts à nouveau par d’autres rayonnements UV (254 nm) permettant la restauration des coumarines initiales. Cela a permis la création de SCNPs de tailles inférieures à 10 nm et incluant des propriétés de photodégradation. Cette propriété a été démontrée par une irradiation de 3 h avec des chaînes polymères de 13220 g/mol à 1385 g/mol dans les SCNPs. La taille de ces SNCPs (caractérisée par leur rayon hydrodynamique) peut être modifiée entre 3 nm et 5,3 nm en modifiant le taux de dimérisation des coumarines, ce qui est aisément obtenu en ajustant le temps d’irradiation UV. Les résultats ont démontré que cette méthode permet un contrôle aisé de la taille des SCNPs sans avoir recours à la synthèse de nombreux polymères précurseurs. Finalement, comme le polyester était biodégradable et biocompatible, ces SCNPs peuvent être exploitées pour des applications biomédicales. Dans la deuxième étude effectuée au cours de cette thèse (chapitre 2), nous avons préparé un nouveau type de SCNPs multifonctionnel à partir d’un polymère cristallin liquide. Il s’agit du polyméthacrylate de [2- (7-méthylcoumaryl) oxyéthyle - co - 6-[4-(4’-méthoxyphenylazo) phénoxy] hexyle] (PAzoMACMA). Les groupements latéraux du polymère contiennent, en majorité, des azobenzènes photoisomérisables et, en minorité, des coumarines photodimérisables. Les azobenzènes servent de mésogènes pour la formation de cristaux liquides alors que les coumarines ont été utilisées pour une réticulation photoinduite et intrachaîne. Malgré les dimensions inférieures à 15 nm, le confinement et la réticulation, les phases cristallines liquides (LC) persistèrent même dans les SCNPs. Ces SCNPs cristaux liquides (LC-SCNPs) présentèrent un certain nombre de propriétés intéressantes et particulières. Alors que leurs dispersions dans le THF n’étaient pas fluorescentes, celles dans le chloroforme l’étaient. En plus, ces nanoparticules s’aggloméraient quelque peu dans le chloroforme ce qui induisait des fluorescences différentes entre des SCNPs riches en isomères cis ou riches en isomères trans des azobenzènes. A cause de la photoisomérisation des azobenzènes, ces LC-SCNPs se déformaient sous irradiation comme le font les microparticules ou les colloïdes contenant des azobenzènes. Cependant, la déformation de ces nanoparticules dépend de la longueur d’onde de lumière polarisée. Alors que sous irradiation UV polarisée à 365 nm, l’élongation des SCNPs était perpendiculaire à la polarisation de la lumière incidente, sous irradiation visible polarisée entre 400 et 500 nm, l’étirement se faisait parallèlement à la polarisation. Finalement, un nanocomposite fut préparé par dispersion de LC-SCNPs dans une matrice de polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Si celui-ci était étiré mécaniquement, les azobenzènes s’orientaient dans la direction de la déformation induite. Ces propriétés intéressantes des LC-SCNPs que cette étude a permis de dévoiler, suggèrent de nouvelles applications potentielles. Dans la troisième étude de cette thèse (chapitre 3), nous avons préparé une classe de SCNPs sensibles à la présence de CO2 et leurs agrégats micellaires auto-assemblés. D’un côté, des SCNPs ont été préparées à partir d’un polyméthacrylate de {(N, N-diméthylaminoéthyle)-co-4-méthyl-[7-(méthacryloyl)-oxyéthyl-oxy] coumaryle} (PDMAEMA-co-CMA). Lorsqu’elles sont dispersées en solution aqueuse, les nanoparticules individuelles peuvent subir des cycles réversibles d’expansion et de rétrécissement sous une stimulation alternative de CO2 et de N2 qui vont protoner et déprotoner les amines tertiaires. D’un autre côté, des SCNPs de type ‘Janus’ (SCJNPs) ont été préparées à partir d’un copolymère dibloc amphiphile : PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) (PS correspond au polystyrène qui est hydrophobe). Ce type de SCJNPs peut s’autoassembler sous forme de micelles en solution aqueuse. Sous stimulation CO2 ou N2, l’expansion ou le rétrécissement à l’intérieur des particules permet de grands changements de volume. En plus, ces particules ont été étudiées comme potentiels nanoréacteurs pour des nanoparticules d’or (AuNPs) que ce soit sous formes SCNPs ou micelles SCJNPs. La vitesse de formation des AuNPs augmente sous bullage de CO2 et décroît sous N2. Cela permet de rendre possible cette réaction contrôlable par ces deux gaz. Qui plus est, utiliser des micelles de SCJNPs dont le volume peut être modifié sur un large intervalle en changeant l’intensité de la stimulation de CO2, permit d’obtenir des AuNPs de taille variable. / Abstract : With interests on nanoscience and nanotechnology for many applications, there is a demand for development of fabrication technology of ultra-small nano-size objects that allow for precise size control and tailored functionality. Recently, a new technology called ‘single-chain technology’, which manipulates a single polymer chain, becomes a rapidly-growing research topic. This technology provides a facile method to prepare polymer single-chain nanoparticles (SCNPs) with a typical size of 1.5-20 nm. Due to the ultra-small size-enabled unique properties, SCNPs have wide range of applications, including sensor, catalytic system, low viscosity coating, nanoreactor and biomedical applications. Through the contributions by many scientists in the past decade, the synthetic methodologies to fabricate SCNPs have been reported using various chemistries and been getting mature. However, there are still several unsolved problems in the field of SCNPs including functions and application. Stimuli-responsive polymers, as a class of smart materials whose properties can be changed by responding to external stimuli, have been widely used in energy and biomedical applications. Since their chemical and physical properties can be changed easily and efficiently via environmental control, stimuli-responsive polymers provide a potential pathway to preparing functional SCNPs. In this thesis, we are focusing on developing functional SCNPs, especially systems with multi-functions, and expanding their applications. To achieve this target, various stimuli-responsive polymers were prepared as polymer precursors and their stimuli-responsive properties were introduced into the SCNP systems by rational design of their chemical structures. The core of this thesis is comprised of three projects which deal with three classes of SCNPs from stimuli-responsive polymers. These stimuli-responsive SCNPs perform multi-functions and undergo certain change either in structure or morphology and properties. In addition, according to their variety of functions, each class of multi-functional SCNPs has diverse potential applications. In the first study presented in the thesis (Chapter 1), we prepared a class of sub-10 nm photodegradable and size-tunable SCNPs based on photo-responsive main-chain coumarin-based polyesters Poly{[7-(hydroxypropoxy)-4-(hydroxymethyl)coumarin adipate]-co- (polypropylene glycol adipate)} (CAPPG) through copolymerization of coumarin diol, adipic acid and polypropylene glycol (PPG). By incorporating coumarin moieties into the chain backbone of a polyester, dual photo-responsive reaction, i.e. photo-dimerization (>320 nm) and photo-induced chain scission (254 nm), occur under two different wavelengths of UV irradiation, enabling the preparation of sub-10 nm SCNPs and their photo-degradation property. The photo-degradability of SCNPs is evidenced under 254 nm UV irradiation for 3 h, which molecular weight of SCNPs decreasing from 13220 g/mol to 1385 g/mol. Moreover, the size of SCNPs can be tunable from 5.3 nm to 3 nm (hydrodynamic diameter) by varying the dimerization degree of coumarin moieties, that is simply controlled by the UV irradiation time. These results demonstrate a facile method to control the size of SCNPs without the need for synthesizing different polymer precursors. Finally, due to the biocompatible and biodegradable nature of polyester as polymer precursor, the SCNPs with photo-degradability and size-tunability have the potential to be exploited for biomedical applications. In the second study realized in this thesis (Chapter 2), we prepared a new type of multi-functional SCNPs from a side-chain liquid crystalline polymer (SCLCP), namely poly{6-[4-(4-methoxyphenylazo) phenoxy]hexylmethacrylate-co-4-methyl-[7-(methacr-yloyl) oxy-ethyl-oxy]coumarin} (PAzoMACMA). The polymer’s side groups comprise photo-isomerizable azobenzene in majority and photo-dimerizable coumarin in minority, with the former as mesogens and the latter for intra-chain photo-crosslinking. Despite the sub-15 nm size, confinement and crosslinking, the liquid crystalline (LC) phases of bulk PAzoMACMA persist in SCLCPs. Such LC-SCNPs exhibit a number of interesting and peculiar properties. While their dispersion in THF is non-fluorescent, when dispersed in chloroform, the nanoparticles appear to agglomerate to certain degree and display significant fluorescence that is different for SCNPs rich in the trans or cis isomer of azobenzene. The azobenzene LC-SCNPs also undergo photo-induced deformation, similar to azobenzene micro- or colloidal particles. However, the elongational deformation of the nanoparticles is dependent upon the linearly polarized excitation wavelength. While under polarized 365 nm UV irradiation the SCNP stretching direction is perpendicular to the light polarization, under polarized 400-500 nm visible light irradiation, the stretching takes place along the light polarization direction. Finally, an all-polymer nanocomposite was prepared by dispersing the LC-SCNPs in poly(methyl methacrylate) (PMMA), and mechanically stretching-induced orientation of azobenzene mesogens developed along the strain direction. The interesting properties of LC-SCNPs unveiled in this study suggest new possibilities for applications including bio-imaging and LC materials. As the third study in this thesis (Chapter 3), we studied a class of CO2-responsive SCNPs and their self-assembled micellar aggregates. On one hand, SCNPs are prepared from a random copolymer of poly{(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)-co-4-methyl-[7-(methacryloyl)oxyethyl-oxy]coumarin} (P(DMAEMA-co-CMA)). When dispersed in aqueous solution, individual nanoparticles can undergo reversible swelling/shrinking under alternating CO2/N2 stimulation as a result of the reversible protonation/deprotonation of tertiary amine groups. On the other hand, tadpole-like single-chain ‘Janus’ nanoparticles (SCJNPs) are prepared using an amphiphilic diblock copolymer of PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) (PS is hydrophobic polystyrene). This type of SCJNPs can self-assemble into core-shell micellar aggregates in aqueous solution. Under CO2/N2 stimulation, the collective swelling/shrinking of SCJNPs within the micelle results in large, reversible volume change. In addition, both P(DMAEMA-co-CMA) SCNPs and PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) SCJNP micelles are explored as gas-tunable nanoreactors for gold nanoparticles (AuNPs). The rate of AuNP formation increases under CO2 stimulation and decreases upon N2 bubbling, which makes it possible to tune the reaction rate up and down (on/off switching) by using the two gases. Moreover, using the micelles of SCJNPs, whose volume can be controlled over a wide range by adjusting the CO2 stimulation strength, variable-size AuNPs and their aggregates are obtained with continuous redshift of the surface plasmon resonance (SPR) into the long wavelength visible light region.

Dans le domaine de l’électronique organique comprenant les cellules photovoltaïques (OPV), les diodes électroluminescentes (OLED) et les transistors à effet de champ (OFET), l’intérêt pour des matériaux ambipolaires a fortement augmenté au cours de ces dernières années.Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse au design et à la préparation de différentes architectures semi-conductrices auto-organisées avec lesquelles il serait possible d’injecter et de transporter à la fois les trous et les électrons. Notre approche est basée sur des matériaux cristaux liquide (LC) incorporant différents types de systèmes électron-donneurs (p-type) ou électron-accepteurs (n-type) dans une architecture moléculaire ou macromoléculaire unique. Ainsi, nous avons synthétisé et caractérisé différentes séries de semi-conducteurs organiques tels que des diades discotiques LC donneur-σ-accepteur, des diades calamitiques LC donneur-σ-accepteur, et des polymères en peigne LC donneur-σ-accepteur portant des groupements latéraux discotiques. Leurs comportement thermiques, leurs propriétés optiques et électroniques, leurs propriétés d’auto-organisation en volume et en film mince, ainsi que leurs propriétés de transport de charge sont présentées et discutés.Ces études ont montré que tous ces matériaux présentent des propriétés liquide-cristallines en s’auto-organisant selon différentes structures telles que des organisations colonnaires, lamellaires et lamello-colonnaires. Plus particulièrement, ces matériaux montrent une nano-ségrégation spontanée en volume des fragments de type p et de type n, formant des chemins bien distincts pour chaque type de porteurs de charge, ces résultats étant bien mis en évidence par les premières mesures de transport de charge ambipolaire observées par temps de vol et en configuration transistor à effet de champs. / In the general field of organic electronics, including Organic Photovoltaic (OPV), Organic Light-Emitting Diode (OLED) and Organic Field-Effect Transistor (OFET), the interest for the ambipolar organic materials have increased remarkably during the recent years.In this context, we were interested, in this present work, in designing and preparing different new self-organized semiconducting architectures in which it could be possible to inject and transport both holes and electrons. Our approach is based on liquid crystalline (LC) materials incorporating different kinds of electron-donor (p-type) and electron acceptor (n-type) π-conjugated systems in a unique molecular or macromolecular architecture. Thus, we synthesized and characterized different series of organic semiconductors such as donor-σ-acceptor discotic LC dyads and triads, donor-σ-acceptor calamitic LC dyads, and donor-σ-acceptor side-chain LC polymers bearing discotic side-groups. Their thermal behaviors, optical and electronic properties, self-organization properties both in bulk and in thin films, and finally charge transport properties are presented and discussed.Based on different characterization techniques, we demonstrated that all these series of materials present liquid crystalline properties in self-organizing in different structure such as columnar, lamellar, and lamella-columnar organizations. More particularly, these materials exhibit spontaneous nanosegregation of p-type and n-type entities in bulk, leading to well defined distinct conductive channels for each type of charge carriers as evidenced by the preliminary ambipolar charge transport properties observed by Time-of-flight and Field effect transistor measurements.