De nos jours, le développement de nouveaux matériaux capables de récolter la lumière solaire de manière efficace pour des applications photocatalytiques est un véritable défi pour la science. Par conséquent, les matériaux réticulaires qui agissent comme des blocs de construction, constitués de joints entre des lieurs organiques et des métaux, avec des propriétés plus adaptées à la photocatalyse, sont devenus encore plus attractifs. Cependant, conférer une fonctionnalité à ces matériaux avec un minimum de défauts cristallins, qui conduisent à une recombinaison de charge électron-trou, et une absorption maximale de la lumière reste un problème. Pour cette raison, différentes stratégies, comme le dopage, l'utilisation de cocatalyseur entre autres, ont été rapportées comme alternatives pour minimiser les problèmes mentionnés ci-dessus et par conséquent les désintégrations photocatalytiques. Néanmoins, les nanostructures de métaux nobles ont récemment montré des propriétés exceptionnelles d'absorption de la lumière, dans lesquelles des pairs électron-trous peuvent être générés et utilisés comme « porteurs de charges », qui améliorent l'activité photocatalytique sur les matériaux pour différentes applications. Les propriétés caractéristiques de ces nanostructures sont associées à l'effet des phénomènes de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR en anglais). Les stratégies de préparation de matériaux plasmoniques pour les systèmes photocatalytiques sont très importantes pour améliorer les performances des réactions et les processus photocatalytiques souhaités. Des aspects critiques tels que la morphologie, la taille, les précurseurs chimiques entre autres doivent être pris en compte. Par exemple, l'utilisation du même métal avec une forme différente pourrait affecter ses performances photocatalytiques et déterminer son application. Ce document offre des preuves scientifiques intéressantes, dans le domaine de la photocatalyse, que les techniques d'ingénierie mentionnées ci-dessus sont cruciales pour le développement de matériaux à base de plasmons adaptés à la conversion du CO₂. Parmi ces preuves, des nanosphères d'or décorées à la surface d'un cadre d'imidazolate zéolitique (ZIF-67) ont montré un taux de génération de méthanol maximal de 1.6 mmol gcₐₜ⁻¹ h⁻¹ avec un rendement quantique apparent (AQY en anglais) de 6.4 %. Alors que les nanoparticules d'or en forme de nanotige ont doublé ce taux avec un AQY de 7.4 %. De plus, les nanoparticules d'or liées chimiquement avec des agents tensioactifs fonctionnels ont montré une amélioration significative des performances avec des taux de génération de 2.5 mmol gcₐₜ⁻¹ h⁻¹ en utilisant des charges métalliques inférieures et un AQY de 3.7 %. Alors qu'il existe un nombre croissant de rapports sûr de nouveaux matériaux réticulaires nanocomposites pour les processus photochimiques; les rapports de matériaux plasmoniques sur la chimie réticulaire sont encore rares. Par conséquent, ce rapport fournit un aperçu approfondi des différents concepts liés aux matériaux plasmoniques et à leurs applications sur les matériaux réticulaires afin d'identifier leurs opportunités et leurs défis sur la photocatalyse pour de futures considérations industrielles. / Nowadays the development of novel materials that can harvest solar light in an efficient way for photocatalytic applications is a real challenge for science. Therefore, reticular materials that act as building blocks, consisting of joints between organic linkers and metals, with properties more suitable for photocatalysis, have become even more attractive. However, imparting functionality to these materials with minimum crystalline defects, that lead to electron-hole charge recombination, and maximum light absorption is still an issue. For that reason, different strategies like doping, and usage of co-catalyst among others have been reported as alternatives to minimize the above-mentioned problems and consequently photocatalytic decays. Nevertheless, noble metal nanostructures have recently shown exceptional light absorption properties, in which electron-hole pairs can be generated and used as "charge-carriers", that enhance photocatalytic activity on materials for different applications. The characteristic properties of these nanostructures are associated with the effect of localized surface plasmonic resonance phenomena (LSPR). The strategies for the preparation of plasmonic materials for photocatalytic systems are highly crucial to achieve improvement in the performance of desired photocatalytic reactions and processes. Critical aspects such as morphology, size, and chemical precursors among others must be considered. For example, the use of the same metal with a different shape could affect its photocatalytic performance and determine its application. This document offers interesting scientific evidence, on the field of photocatalysis, that above-mentioned engineering techniques are crucial for the development of plasmon-based materials suitable for CO₂ conversion. Among this evidence, gold nanospheres decorated on the surface of zeolitic imidazolate framework (ZIF-67) showed a maximum methanol generation rate of 1.6 mmol gcₐₜ⁻¹ h⁻¹ with an apparent quantum yield (AQY) of 6.4%. While nanorod shape gold nanoparticles doubled this rate with an AQY of 7.4%. Furthermore, chemically bonded gold nanoparticles with functional surfactant agents showed a significant improve on the performance with generation rates of 2.5 mmol gcₐₜ⁻¹ h⁻¹ using lower metal loadings and AQY of 3.7%. While there is a growing number of reports of novel nanocomposite reticular materials for photochemical processes; reports of plasmonic materials on reticular chemistry are still scarce. Therefore, this report provides a brief overview and profound insight into different concepts related to plasmonic materials and their applications on reticular materials to identify their opportunities and challenges in photocatalysis for future industrial considerations.

Note sur les annexes : 7 documents en format mp4, « the nanoparticle tracking analysis (NTA) technique uses the properties of both light scattering and Brownian motion to extract information about the size and concentration of particles in suspension by employing microscopy techniques. Through the use of an objective lens and a camera, NTA is able to record videos of the scattered light produced by individual particles as they traverse a microchannel. » / Les matériaux souples stimulants dotés de propriétés hybrides présentent un grand intérêt dans les domaines de la biomédecine et de la santé, car ils permettent de développer de nouveaux actionneurs intelligents pour des applications telles que l'administration de médicaments, la cicatrisation des plaies et les plateformes de culture cellulaire in vitro. Les hydrogels thermosensibles, tels que l'hydrogel de poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM), sont couramment utilisés comme matériaux souples en raison de leur biocompatibilité et de leur capacité à subir des modifications de leurs propriétés physiques et/ou chimiques en fonction de la température, par exemple un rétrécissement ou un gonflement volumétrique. L'incorporation de nanoparticules d'or plasmoniques dans le réseau d'hydrogel représente une excellente alternative pour déclencher localement et à distance le retrait volumétrique de l'hydrogel sous l'effet de la lumière. Les nanoparticules d'or supportant des résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) présentent des propriétés photothermiques exceptionnelles en raison de leur grande section d'extinction optique aux longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge. Il est donc impératif de bien comprendre les paramètres qui influencent leur synthèse pour garantir la réussite de la mise en œuvre de ces nanomatériaux hybrides intelligents dans le domaine biomédical. Cette compréhension est essentielle pour développer des protocoles bien contrôlés et échelonnables avec des propriétés adaptées et des méthodes de fabrication simples, rentables et à grande échelle. L'objectif principal du travail présenté dans cette thèse était de développer un nanomatériau hybride à base plasmonique avec un comportement réversible et une réactivité élevée pour être utilisé comme actionneurs souples intelligents pilotés par la lumière dans des applications biomédicales. À cette fin, des microgels cœur-coquille Au-pNIPAM ont été choisis comme éléments constitutifs des matériaux hybrides sensibles à la lumière et synthétisés par polymérisation par précipitation avec ensemencement. Dans un premier temps, le rôle crucial des points de nucléation dans le processus de polymérisation a été étudié, montrant leur influence, indépendamment de la taille du noyau d'or, sur la modulation de paramètres importants pour la synthèse de microgels Au-pNIPAM, y compris le rendement d'encapsulation des noyaux d'or, la taille et la capacité de rétrécissement du nanomatériau. Deuxièmement, en exploitant le protocole de synthèse bien contrôlé et la stabilité colloïdale des microgels cœur-coquille Au-pNIPAM, une méthode simple basée sur la compression et les colloïdes a été développée pour fabriquer des films minces Au-pNIPAM photopolymérisables. Cette méthode a permis la fabrication de films homogènes, en termes de densité de noyaux d'or, de l'ordre du micron sur des substrats rigides et malléables. Grâce à l'utilisation de la lumière et de photomasques, le patronage des films Au-pNIPAM a permis la fabrication de microgels Au-pNIPAM anisotropes avec des rapports d'aspect largeur-hauteur élevés sur des substrats et des suspensions, ajoutant une nouvelle dimension à la méthode de fabrication mise au point. Enfin, pour démontrer les propriétés d'actionnement de la lumière du matériau hybride développé et en tirant parti des propriétés thermoplasmoniques collectives des nanoparticules d'or, des robots nageurs guidés par la lumière ont été fabriqués. Sous exposition à la lumière, la trajectoire et la rotation des robots nageurs à l'interface air/eau ont été contrôlées avec précision grâce à l'effet Marangoni induit par la lumière. / Stimuli-responsive soft materials possessing hybrid properties are of great interest in the biomedical and healthcare fields to develop novel smart actuators for applications in, for instance, drug delivery, wound healing, and in-vitro cell culture platforms. Thermo-responsive hydrogels, such as the poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) hydrogel, are commonly used as soft materials owing to their biocompatibility and capacity to experience changes in their physical and/or chemical properties as a function of temperature, e.g., volumetric shrinkage. Incorporating plasmonic gold nanoparticles within the hydrogel network represents an excellent alternative to locally and remotely trigger the volumetric shrinkage of the hydrogel upon light illumination. Gold nanoparticles supporting localized surface plasmon resonances (LSPR) exhibit exceptional photothermal properties due to their large optical extinction cross-section at visible and near-infrared wavelengths. A comprehensive understanding of the parameters that influence their syntheses is imperative to ensure the successful implementation of these smart hybrid nanomaterials in the biomedical field. This understanding is pivotal in developing well-controlled and scalable protocols with tailored properties and simple, cost-effective, and large-scale fabrication methods. The main objective of the work presented in this thesis was to develop a plasmonic-based hybrid nanomaterial with reversible behavior and high responsivity to be used as light-driven smart soft actuators in biomedical applications. To this, Au-pNIPAM core-shell microgels were chosen as building blocks of light-responsive hybrid materials and synthesized through seeded precipitation polymerization. At first, the crucial role of nucleation points in the polymerization process was studied, showing their influence - regardless of gold core size - on the modulation of significant parameters for the synthesis of Au-pNIPAM core-shell microgels, including encapsulation yield of gold cores, size, and shrinking capacity of the nanomaterial. Secondly, by exploiting the well-controlled synthesis protocol and colloidal stability of Au-pNIPAM core-shell microgels, a simple compression- and colloid-based method was developed to fabricate photopolymerizable thin Au-pNIPAM films. This method allowed the fabrication of homogeneous films - in terms of gold core number density - in the micron-size range onto both rigid and malleable substrates. Through the use of light and photomasks, the patterning of Au-pNIPAM films permitted the fabrication of anisotropic Au-pNIPAM microgels with high width-to-height aspect rations on substrates and suspension, adding a new dimension to the developed fabrication method. Finally, to demonstrate the light-actuation properties of the developed hybrid material and by leveraging the collective thermoplasmonic properties of gold nanoparticles, light-guided swimming robots of millimeter-scale were fabricated. Under light exposure, the trajectory and rotation of swimming robots at the air/water interface were precisely controlled due to the light-induced Marangoni effect.

Thesis (MSc (Chemistry and Polymer Science))--University of Stellenbosch, 2009. / Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (Polymer Science) at University of Stellenbosch. / ENGLISH ABSTRACT: The preparation of poly(acrylonitrile/methyl acrylate) [poly(AN-co-MA)] copolymers and poly(AN-co-MA)/clay nanocomposites, via emulsion polymerization, their characterisation, and the relationships between their molecular structures and physical properties are described. The copolymer composition was varied, and the properties of the products were analysed and correlated to copolymer composition. The free volume properties of the copolymer were dependent on the glass transition temperature (Tg), which is dependant on the copolymer composition. The copolymer crystallinity decreased with increasing MA content. The decrease in crystallinity and increase in both o-Ps lifetime and o-Ps intensity with decreasing Tg was caused by the enhanced chain mobility brought about by the incorporation of methyl acrylate. The poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate)/clay nanocomposites with 60% AN:40% MA (mol:mol) ratio were prepared using montmorillonite clay modified via adsorption, using 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulphonic acid (AMPS), via in-situ intercalation polymerization. The poly(AN-co-MA)/clay nanocomposites with different clay loadings showed no difference in morphology. They exhibited improved thermomechanical properties and higher thermal stability than the neat copolymers. The melt rheology results of these nanocomposites showed an improved storage modulus as well as increased shear thinning behaviour with increasing clay content. However, the nanocomposites exhibited long-time relaxation behaviour and their chemical structures evolved during analysis. This was attributed to cyclisation reactions taking place at the temperature used during the oscillatory tests. The sorption isotherms of water vapour in these nanocomposites followed a dualmode sorption behaviour (BET type II mode). Hysteresis was observed in sorption/desorption isotherms of these nanocomposites. The equilibrium water uptake was higher in the nanocomposites compared to the neat copolymers, and it increased with increasing clay content, especially at high water activities (0.8). Although diffusion and permeability decreased with increasing clay content the solubility increased due to the hydrophilic nature of the clay. Despite the decrease in diffusion and permeability parameters the free volume hole radius of the nanocomposites remained constant, but a slight decrease in free volume hole number was observed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die bereiding van poli(akrilonitriel/metielakrilaat) [poli(AN-ko-MA)] kopolimere en poli(AN-ko-MA)/klei nanosamestellings deur middel van emulsiepolimerisasie, hul karakterisering asook die ooreenkoms tussen hul molekulêre strukture en fisiese eienskappe is beskryf. Die kopolimeersamestelling is gevarieer, en eienskappe is geanaliseer en dan gekorreleer met die kopolimeersamestelling. Die vrye-volume eienskappe van die kopolimeer was afhanklik van die glasoorgangstemperatuur (Tg) wat weer afhanklik is van die kopolimeersamestealling. Die kristalliniteit van die kopolimeer het verminder met die hoeveelheid MA teenwoordig. Die afname in kristalliniteit en toename in beide die o-Ps leeftyd en o-Ps intensiteit met afname in Tg is veroorsaak deur die beter kettingbeweegbaarheid wat veroorsaak is deur die byvoeging van metielakrilaat. Die poli(akrilonitriel-ko-metielakrilaat)/klei nanosamestellings met 60% AN:40% MA (mol:mol) verhouding is berei deur die gebruik van montmorillonietklei, gemodifiseer deur die adsorpsie van 2-akrielamido-2-metiel-1-propaansulfoonsuur (AMPS) deur middel van 'n in-situ interkaleringspolimerisasie. Die poli(AN-ko-MA)/klei nanosamestellings het, ten spyte van die verskillende hoeveelhede klei wat gebruik is, geen verandering in morfologie getoon nie. Hulle het wel beter termodinamiese eienskappe en hoër termiese stabiliteit as die oorspronklike kopolimere getoon. Die smeltreologie resultate van hierdie nanosamestellings het ‘n beter stoormodulus getoon, sowel as toenemende skuifverdunningsgedrag met 'n verhoogde klei inhoud. Tog het die nanosamestellings lang tyd-ontspanningsgedrag getoon en die chemiese struktuur het verander tydens analise. Dit word toegeskryf aan die sikliese reaksies wat plaasvind by die temperatuur wat gebruik is tydens die ossillatoriese toetse. Die sorpsie isoterme van waterdamp in hierdie nanosamestellings het ‘n dubbel-styl sorpsiegedrag gevolg (BET tipe II styl). Histerese is waargeneem in sorpsie/desorpsie isoterme van hierdie nanosamestellings. Die ewewig in wateropname van die nanosamestellings was hoër as vir dié van die oorspronklike kopolimere en dit het toegeneem met 'n toenemende klei inhoud, veral by hoë humiditeit (0.8). Al het die diffusie en deurlaatbaarheid afgeneem met 'n toename in die klei inhoud, het die oplosbaarheid toegeneem as gevolg van die hidrofiliese karakter van die klei. Ten spyte van die afname in diffusie en deurlaatbaarheidsparameters, het die radius van die vryevolume openinge van die nanosamestellings konstant gebly, maar ‘n klein afname in die aantal vrye-volume openinge is gevind.

Pour comprendre les mécanismes microscopiques du renforcement dans les nanocomposites, nous avons mis en œuvre un système nanocomposite modèle composé de nanoparticules de silice incorporées dans une matrice du copolymère PMMA/PBuA. La formation des échantillons se fait par évaporation du solvant -l'eau- du système colloïdal mixte latex et silice. La structure de la charge peut être contrôlée par le pH et la fraction volumique de la silice. La combinaison de diffusion de neutrons aux petits angles et microscopie électronique à transmission nous a permis d'établir un diagramme de phases du nombre d'agrégation de la silice. Les tests mécaniques en traction uni-axiale sur des nanocomposites de structure définie nous ont donné accès à la relation entre la structure des charges et la rhéologie. L'augmentation du nombre d'agrégation moyen augmente le renforcement du module de Young, et mène à une rupture précoce des films. Un optimum entre fort renforcement et grande déformation avant rupture peut être trouvé en s'intéressant à l'énergie de rupture. Lorsque l'on s'intéresse à la structure des chaînes dans les nanocomposites, il faut créer le contraste moyen nul pour la silice en introduisant des chaînes deutériées D. Nous avons pu suivre l'interdiffusion des chaînes H et D durant le recuit dans deux systèmes. Pour suivre la dissolution des billes de latex dans le polymère fondu, nous avons mis en place une modélisation des données structurales. La présence de la silice limite la mobilité des chaînes dans les nanocomposites. / To improve the understanding of the reinforcement effect in nanocomposites, we have set up a model system made of a latex matrix (PMMA-PBuA copolymer) with incorporated nanosilica beads. The nanocomposite films are made by evaporating the aqueous solvent of mixture of silica/latex colloidal solutions. The structure of the network is well controlled by the pH and volume fraction of silica. We have established a phase diagram of the aggregation number of the silica by small angle neutron scattering and scanning electron microscopy. The rheological properties of silica-latex nanocomposites have been tested by uni-axial stress-strain isotherms and correlated to the silica structure. The increase of the average aggregation number reinforces the Young modulus and decreases the elongation at the breaking point. An optimum has been found by determining the energy needed until rupture. We have studied the chain structure in the nanocomposites by creatin g zero-average contrast conditions for the silica, using mixtures of D- and H-latex. The interdiffusion of the H and D chains during the annealing could be measured in two systems and intermediate structure modelled. The presence of the nanosilica particles reduces the mobility of the polymer chains.

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l’énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d’oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d’étude sont l’électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l’énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l’hydrogène, la réduction de l’oxygène et l’oxydation de l’eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d’azote, des bromates et la photodégradation d’un colorant textile toxique, l’Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus. / This thesis focuses on the synthesis of nanostructured composite materials based on polyoxometalates for energy conversion and applications to environmental problems. To achieve these goals, many new compounds of this family of molecular oxides were synthesized and were associated with different nature friendly matrices, in agreement with the main criteria of Green Chemistry. In the field of energy, the new catalysts have proved very effective in important but difficult to achieve reactions, such as producing hydrogen, oxygen reduction or water oxidation. Similarly, among applications to pollution problems, these nanomaterials have shown a strong electrocatalytic and photocatalytic activity for the reduction of nitrogen oxides, bromate and for the photodegradation of a toxic textile dye, Acid Orange 7. The performances of these new catalysts are comparable to those of the best known systems.

Ce projet contribue à développer la prochaine génération de nano-emballages en utilisant une approche plus sûre et éco-conçue avec des avantages directs à la fois pour l'environnement et la sécurité des consommateurs. Les emballages alimentaires constituent l’un des principaux secteurs d’applications des nanotechnologies avec des enjeux environnementaux prometteurs de substitution des pétro-plastiques par des bio-plastiques et de réduction des pertes et gaspillages alimentaires grâce à des emballages plus performants, de type actifs et intelligents. Dans le cas de matériaux nano-composites (matrice polymérique contenant des nano-particules) destinés au contact alimentaire, le risque majeur en terme de santé humaine est lié à leur impact sur la migration de composés indésirables de l’emballage vers l’aliment (stabilisants UV, antioxydants, plastifiants, etc) qui peuvent avoir des effets néfastes en fonction des doses et durées d’exposition. Ces interactions contenant/contenu sont soumises à une réglementation européenne dont l’objectif est la protection de la santé du consommateur en fixant des limites de migration spécifique pour tous les composés supposés entrer dans la composition des matériaux plastiques dédiés au contact alimentaire. Dans le cas des nanomatériaux, la présence de nanoparticules est susceptible de modifier les interactions entre le polymère et les additifs et par voie de conséquence leurs propriétés de transfert. Ainsi, la formalisation des phénomènes de migration de l’emballage vers l’aliment établie sur des matériaux plastiques ne contenant pas de nanoparticules ne peut pas être directement transposée au nano-matériaux. De plus la présence de ces nanoparticules peut profondément modifier l’éco-toxicité environnementale du système matrice- nanoparticule -additif.La présente étude vise à comprendre et contrôler l’impact des structures nanocomposites (matrice polymérique contenant des nano-particules) sur les propriétés de transport (diffusivité et solubilité) des nanoparticules et des additifs chimiques en condition d’usage. À cet égard, il est nécessaire de combler le déficit de connaissances dans a caractérisation de la structure 3D, des propriétés physico-chimique et des interactions aux interfaces entre nanoparticules et matrice dans les nanomatériaux. Devant la complexité du système étudié, la modélisation est indispensable pour représenter (simplifier sans pour autant perdre trop de connaissances) la structure 3D des nanomatériaux et simuler, reproduire puis prédire, l’évolution de leurs propriétés de transfert en fonction des paramètres structurels et en condition d’usage. La modélisation des transferts est également indispensable pour, dans une approche d’ingénierie inverse, éco-concevoir et dimensionner à façon des nano-emballages sûrs pour l’Homme et l’Environnement. Dans cette optique une démarche de modélisation multi-échelle des relations structure/propriétés de transfert de masse a été mise en place sur des matériaux nanocomposites ciblés choisis pour leur pertinence dans le domaine de l’emballage alimentaire. / The market of nanotechnologies is dominated by the food packaging area which amounts more than 20% of the total nanotechnologies market in 2015. However, the wide-scale use of nanomaterials raises important questions about environmental and safety issues that could hinder their development. In the case of plastics intended to be in contact with food, the risk of contamination concerns not only the nanoparticles but also all the chemical additives added during the material processing. The presence of nanoparticles is susceptible to modify the interactions between polymer and the additives with a possible change in their transport properties and therefore the food contamination.The present work aims at identifying the relationship between the structural characteristic and the transport properties (diffusivity and solubility) of nanoparticles and chemical additives incorporated in nanocomposites. In this regard, it is necessary to fill the gap of knowledge in 3D nanostructure characterization and a multi-scale modeling of mass transfer properties of nanocomposites in real usage conditions.In this way, polyethylene and nanoclay were selected based on the best compromise between real potential applications and the scientific knowledge previously published and eventually the nanocomposites were synthesized with LLDPE, Cloisite20 and a compatibilizer by melt intercalation method.The nanocomposite structure was characterized using TEM, X-ray nanotomography, TGA and XRD then submitted to migration tests undertaken in contact with different food simulants which represent various types of food (aqueous, acid, alcoholic) following the recommendation of the European regulation on the food contact material. To evaluate the positive or adverse effects of the nanomaterials on the contamination of the food by chemical additives which are usually incorporated with the plastic packaging, the virgin polymer and nanocomposite material were spiked with a mixture of the additives exhibiting various volatility, polarity and molecular weight. Then, the transport properties (i.e inertia) of nanocomposite structure was distinctively investigated on kinetic (apparent diffusion coefficient) and thermodynamic (partition coefficient) considerations.The results indicated that nanoclay addition in plastic materials favorably reduced the migration of additives by modifying both their diffusivity in the polymer and their partition between the polymer and the food simulant. However, while the partition coefficient of additives increases in nanocomposite in comparison to pure LLDPE for the samples in contact with all types of food simulants, the reduction of diffusion coefficient is significantly dependent on the nature of the food simulant in contact. Hence, it can be concluded that the major role in the migration of additives is not played by the imposed tortuosity path, but by the factors such as the affinity between the base polymer and simulants as well as the effects of simulants on swelling and crystallinity of the samples. Moreover, the effect of additive-related parameters and the structural parameters were assessed and put in perspective with their impact on the transport properties of nanostructures. Integrating the results of characterization and transfer properties led to an improved understanding of the influence of structure of nanocomposites on their mass transfer properties and therefore on the suitability of using them as food contact materials.

Les nanocomposites présentent des propriétés uniques dont l'origine est sujette à débat. Dans ce travail, nous cherchons à déterminer quel est l'impact de la morphologie de la charge et de son état de distribution sur les propriétés des matériaux. Pour cela, nous avons étendu un modèle théorique que nous résolvons numériquement.Nous avons étudié l'effet de la distribution des charges dans la matrice. Nous montrons qu'un état de distribution fortement hétérogène conduit à un renforcement plus important qui s'étend dans une plus large gamme de températures, mais augmente aussi la dissipation d'énergie. Ensuite, nous étudions l'effet de la structure des charges. Des particules parfaitement sphériques sont comparées à des agrégats fractals plus ou moins finement définis. Nous montrons que des objets finement définis peuvent s'imbriquer au sein de la matrice et conduisent à une augmentation du renfort et de la dissipation dans ces matériaux.Puis, nous étudions la réponse de nos systèmes lorsqu'ils sont soumis à une première élongation de forte amplitude. Nous montrons alors qu'un système hétérogène se plastifie localement progressivement au cours de la déformation alors qu'un système homogène présente une plastification catastrophique généralisée à partir d'une déformation critique. Enfin dans une dernière partie nous évaluons la possibilité d'étendre le modèle afin de simuler l'endommagement des nanocomposites. Nous introduisons pour cela un critère rupture local afin de prendre en compte l'endommagement du polymère entre les charges. Nous étudions ensuite comment se comportent les matériaux simulés en faisant varier la morphologie de la charge, son état de distribution et son taux.Ce travail constitue la première étude systématique de l'effet de la morphologie et de la distribution des charges sur les propriétés mécaniques des nanocomposites. Nous montrons que ces paramètres peu contrôlés sont pourtant des paramètres clés et peuvent servir à optimiser les propriétés d’usage d'un nanocomposite / Nano-filled elastomer composites are used in a very broad range of applications such as tires, damping materials and impact modifiers. The addition of nanoscale rigid particles in a polymer matrix induces nonlinear effects that are not yet fully understood far above the glass transition temperature of the pure matrix. A model of the reinforcement of nanocomposites based on the reduced mobility of the polymer confined between two spherical filler particles has been developed over the last ten years. In order to study the influence of the filler shape, structure, size, and dispersion state, we have extended the model were the morphology of the fillers is defined explicitly as spherical particles aggregated in the polymer matrix. The model is then solved by mesoscale numerical simulation in order to describe the mechanical properties of the nanocomposite. We study the mechanical response of nanocomposite filled with aggregates of different shapes and distribution state to deformations of various amplitudes in the reinforcement regime. We show that the mechanical behavior of nanocomposites strongly depends on the filler morphology and we propose that stress-relaxation mechanisms in the material are related to the disorder (particle size, aggregation number, distribution state) in the filler population. In a second part of this work, we study the mechanical response at larger amplitude in both a non-destructive and destructive regime. For that matter, the model has been extended in order to account for damaging of the polymer between filler particles.Our model opens the path for the development of systems with tailored properties by adjusting the fillers morphology and distribution.

FePt/B4C multilayer thin films are deposited on silicon substrates using magnetron sputtering with different B4C layer thickness. Experimental results suggest that the B4C layers effectively serve as spacers to separate the FePt layers, making the multilayer configuration stable even after film annealing at elevated temperatures. On the other hand, B and C are found to be incorporated into the FePt layer, which is responsible for the FePt grain growth confinement and grain separation, and eventually affects the properties of the composite film. Based on the experimental results of multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite thin films on Si substrate are synthesized, in which a record coercivity of 2200 Oe is achieved compared to similar system. The size uniformity of the FePt nanoparticles, the well-defined particle-particle separation, together with the good magnetic property and high temperature thermal stability of the overall composite film, make it a very promising candidate for the ultrahigh density magnetic storage media. / Functional nanostructures serve as the basic building blocks for nanodevices and significant efforts have been devoted to their morphology control and properties optimization. In present study, four functional nanostructures, i.e., FePt/B4C multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite film, Ga-doped ZnO nanowire arrays, and CdSe nanotube arrays are designed, synthesized and characterized in detail, in which the first two are expected to be prominent candidates for ultrahigh-density magnetic storage media while the later two have potential applications in solar energy conversion. / Semiconductor based one-dimensional nanostructures are investigated as promising building blocks for solar energy conversion devices. Two aspects are explored, aiming at increasing the energy conversion efficiency, i.e., facilitating electron transport and enhancing photon absorbing. In the first case, large area Ga-doped ZnO nanowire arrays are grown on transparent conducting substrate. Experimental results reveal the well-aligned array morphology and the uniform Ga concentration in these nanowires. In particular, direct I-V measurements performed on single nanowire-on-ITO substrate disclose its Ohmic contact with the conducting substrate and the significant conductivity improvement compared to undoped ZnO nanowire, In the second case, a novel synthesis strategy for nanotube arrays is developed and CdSe is used for demonstration, which material possessing more appropriate band gap as effective light harvester compared to that of materials for existing semiconductor nanotube arrays. The controllable tube wall thickness that can be increased until continuous CdSe porous network is obtained. The experimental results suggest a nanotube array formation mechanism that can be generally applied to a wide range of materials. / Zhou, Minjie = 功能纳米结构在磁性和能源方面的应用 / 周民杰. / Adviser: Li Quan. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 72-11, Section: B, page: . / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 91-100). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [201-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese. / Zhou, Minjie = Gong neng na mi jie gou zai ci xing he neng yuan fang mian de ying yong / Zhou Minjie.

Les nanoparticules de silice sont très largement étudiées pour les applications biomédicales. Elles permettent une facilité et une flexibilité de la synthèse des particules et une bio-toxicité limitée. Cette thèse a mené une grande diversité de résultats impliquant des nanomatériaux de silice. Premièrement, les propriétés physicochimiques et les propriétés de biodégradation de trois types de nanoparticules de silice structurées ont été étudiées dans un tampon, un milieu de culture et au contact de fibroblastes cutanés humains suggérant que les nanoparticules de silice doivent être principalement considérées comme dégradées par hydrolyse, et non biodégradé. Ensuite, des nanoparticules de silice multifonctionnelles constituées de nanoparticules de silice creuses et de nanoparticules de MnO2 ont été synthétisées. Ainsi le contrôle de la libération du médicament et la performance de l’imagerie de ces nanoplates ont été étudiées à partir de modèles 2D à 3D. Cette approche pourrait être utilisée pour une évaluation rapide de la bio-fonctionnalité des nanoparticules avant de mettre en place des expériences in vivo. En outre, un nouveau nanocomposite 3D à base de collagène utilisant des tiges de silice a été étudié et les relations entre la composition composite, la structure et les propriétés mécaniques, mettant en évidence le rôle clé des interactions collagène-silice. L'influence de ces paramètres sur l'adhésion et la prolifération des cellules fibroblastiques a également été étudiée. De plus, nous avons préparé et utilisé des nanobatonnêts de silice magnétiques pour contrôler l’orientation des particules dans le réseau de collagène grâce à un champ magnétique externe. Tous les résultats apportent de nouvelles connaissances sur la préparation et les propriétés des bionanocomposites et ouvrent la voie à des hydrogels multifonctionnels. / Silica nanoparticles, thanks to the great easy and adaptability of particle synthesis and limited biotoxicity, is very widely studied for biomedical applications. This thesis conducted a large diversity of investigations involving silica nanomaterials. Firstly, the physicochemical properties and biodegradation properties of three types of structured silica nanoparticles were studied in a buffer, a culture medium and in contact with human dermal fibroblasts that suggest that, under these conditions, the silica nanoparticles must be mainly considered as degraded by hydrolysis and not biodegraded. Then, multifunctional silica nanoparticles which are consist of hollow silica nanoparticles and MnO2 nanosheets were synthesized. And the control drug release and imaging performance of this nanoplatforms were studied from 2D to 3D models. This approach could be used for a rapid assessment of the biofunctionality of nanoparticles before setting up in vivo experiments. Furthermore, a new 3D collagen-based nanocomposites using silica rods were studied and the relationships between the composite composition, structure and mechanical properties, emphasizing the key role of collagen-silica interactions. The influence of these parameters on the adhesion and proliferation of fibroblast cells was also investigated. In addition, we prepared and used magnetic silica nanorods to control particle orientation within the collagen network thanks to an external magnetic field. All the results bring new insights on the preparation and properties of bionanocomposites and open the route to multifunctional hydrogels.

The goal of this work was to achieve a homogeneous morphology of carbon nanotubes in a polyimide matrix, characterize the resulting nanocomposite properties, and understand structure-property relationships. Melt-mixing was used as an effective method for dispersing multiwall nanotubes and carbon nanofibers in a phenylethynyl terminated imide resin where aggregation occurred only in particle-saturated systems. Particle network formation within the nanocomposites was studied using rheology and impedance spectroscopy; results showed that the electrical percolation threshold occurred at a lower particle loading than the rheological percolation threshold, consistent with the oligomer size in comparison to the distance for electrical conductivity (~5 nm). Thermomechanical analysis showed that the addition of nanoparticles enhanced the polyimide storage modulus and thermal behavior indicated that the nanoparticles restricted polymer motion to higher temperatures. A study of the cure mechanism of the oligomer with and without nanoparticles showed that the nanoparticles reduced the activation energy required for cure initiation while increasing the obtainable extent of cure at various isothermal temperatures. The work presented in this dissertation shows that an easy, time effective processing method can be used to homogeneously disperse nanoparticles in an imide oligomer, and the resulting nanocomposites exhibit enhanced properties. A business plan is also presented that reflects the market potential of this technology.