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.

Largement étudiés en reconnaissance moléculaire, catalyse et relargage de médicaments, les cavitants sont des assemblages supramoléculaires synthétiques très prometteurs dans le domaine de la chimie hôte-invité. Ces macromolécules aux caractéristiques uniques peuvent bénéficier de l’auto-assemblage des métaux de transition avec des ligands rigides pour former ce que l’on appelle les métallocavitants. Les métallocavitants de boronate de tantale, dotés de sites actifs acides de Lewis, ont prouvé leur pertinence dans ce domaine. Des études structurelles et électroniques ont permis la synthèse de métallocavitants à cavité élargie et électrophile. Dans le but d’élargir la visibilité de ce type de métallocavitant, on cherche à créer une cavité moins électropositive. Sachant que les ligands boronates et les atomes de tantale sont responsables de l’électropositivité de la cavité, ces fragments sont remplacés par les carboxylates et le zirconium. De nouveaux complexes organométalliques démontrant d’intéressantes propriétés supramoléculaires ont été synthétisés.

Les techniques dosimétriques externes, telles que les dosimètres portatifs et compteurs Geiger-Müller, sont largement utilisées dans la détection et l’interprétation de dose reçue par les employés du secteur nucléaire. Toutefois, ces techniques ne permettent pas de caractériser une contamination interne, telle que celle causée par des émetteurs alpha. Actuellement au Canada, les techniques de dosimétrie biologique sont orientées sur l’analyse d’urine, de frottis nasaux et, dans de rares cas, de sang, de tissus et exceptionnellement de matières fécales. Les matières fécales, quant à elles, procurent une voie différente et complémentaire aux autres types de prélèvement, en raison de l’interaction entre le système respiratoire et le système digestif. Il n’existe aucune procédure officielle au Canada sur ce genre d’échantillon. Une nouvelle méthodologie, basée sur la fusion boratée couplée à une méthode d’extraction, a été développée dans le cours de ce mémoire, ce qui devrait permettre de résoudre ce problème. / External dosimetric techniques, such as portable dosimeter and Geiger-Müller counter, are largely use in the detection and interpretation of received dose by employees of the nuclear sector. However, those techniques are inefficient for characterising internal contamination, such as alpha emitters. As for the moment, the techniques used in Canada for bioassay are oriented towards urine, nasal swabs sampling and on rare occasion; blood and tissue, exceptionally fecal samples. The fecal samples offer a different and complementary approach to other bioassays due to the interaction between the respiratory tract and the gastrointestinal tract. However, there is no official methodology for fecal analysis in Canada. For this thesis, a new methodology based on borated fusion coupled to column chromatography was developed to remedy this problem.

Jusqu’à tout récemment, la plupart des travaux effectués pour l’exaltation de la fluorescence moléculaire avaient comme substrat l’argent ou l’or sous forme de nanoparticules. Toutefois, ces deux métaux ne sont pas tout à fait adaptés pour l’exaltation de la fluorescence dans l’UV avec leur maximum plasmonique situé aux environs de 400 nm pour l’argent et aux environs de 530 nm pour l’or. L’intérêt de l’UV vient principalement de visées biomédicales considérant qu’une majorité de biomolécules absorbent et émettent dans cette région. Dans le cadre de ce projet, les biomolécules d’intérêt sont l’ADN qui fluorescence grâce aux bases azotées et les trois acides aminés aromatiques, le tryptophane, la tyrosine et la phénylalanine, qui sont quant à eux responsables de la fluorescence des protéines. Le but de ce projet est de développer un système nanoparticulaire permettant l’exaltation de la fluorescence dans l’UV. Le métal choisi est l’indium puisque ce dernier fait partie du groupe du bore (Al, Ga, In, Tl) et que ceux-ci sont caractérisés par de faibles pertes par absorption, mais également pour leur forte bande plasmonique vers 300 nm. L’indium possède donc toutes les qualités requises pour permettre l’exaltation de la fluorescence dans l’UV. Dans ce projet, des nanoparticules sphériques d’indium ont été développées avec une taille modulable entre 60 et 80 nm. Le plasmon de ces nanoparticules se situe vers 310 nm. Par la suite, ces mêmes cœurs d’indium ont été recouverts d’une couche diélectrique protectrice de silice. L’avantage d’une coquille de silice est la facilité avec laquelle l’épaisseur peut en être modifiée. La taille des coquilles synthétisées varie entre 5 et 50 nm. Une fois cette couche synthétisée, différentes avenues ont été envisagées pour le greffage des fluorophores en surface. Le choix final s’est arrêté sur l’incorporation des fluorophores à l’intérieur même d’une couche de silice. Les fluorophores sont préalablement modifiés pour faire en sorte qu’ils se lient de manière covalente à la silice. Le choix des fluorophores principaux s’est arrêté sur le Carbostyril 124, en tant que fluorophore modèle, et sur le tryptophane puisqu’il s’agit de l’acide aminé le plus fluorescent. Des facteurs d’exaltation de fluorescence de l’ordre de 3 et 7 ont respectivement été obtenus pour le Carbostyril 124 et le tryptophane. D’autres tests préliminaires ont également été menés sur les autres acides aminés, la tyrosine et la phénylalanine, ainsi que sur l’ADN. / Until recently, most of the work done on metal-enhanced fluorescence of molecular fluorophores employed silver and gold nanoparticles as the substrate. However, these metals are not perfectly suit for fluorescence enhancement in the UV region of the spectrum as their maximum plasmonic bands are centered at approximately 400 nm and 530 nm for silver and gold, respectively. The interest in the UV region is mostly due to biomedical studies as most of the biomolecules absorb and emit in this region. In this project, the focus is on DNA, which is fluorescent via the nucleobases, en even more so on proteins which owe their intrinsic fluorescence to the three aromatic amino acids, tryptophan, tyrosine and phenylalanine. The main goal of this project is to develop a nanostructure able to support metal-enhanced fluorescence in the UV. Indium seems to be the perfect metal to work with as it is part of the boron group (Al, Ga, In, Tl) which is characterized by low absorption losses, but also by its strong plasmonic band centered at approximately 300 nm making it suitable for metal-enhanced fluorescence studies in the UV. In this project, indium nanoparticles with a size ranging from 60 to 80 nm were developed with a plasmon approximately centered at 310 nm. Then, a protective dielectric layer of silica was synthesized on the indium core. The thickness of the silica layer is easily tunable; it is used to find the optimal distance to observe a maximal fluorescence enhancement. Silica shells between 5 and 50 nm were used. Different strategies were considered for the grafting of the fluorophores on the surface of indium-silica nanoparticles. Incorporation of the fluorophore into a silica layer was chosen as it allows for covalent bonding between the fluorophore and the silica layer. Two different fluorophores were used. The first one is Carbostyril 124, acting as a model fluorophore, and the second one is tryptophan as it is the most fluorescent amino acid. Enhancement factors of up to 3 and 7 were obtained for Carbostyril 124 and tryptophan, respectively. Others preliminary tests have been made on tyrosine and phenylalanine, the two other fluorescent amino acids, and on DNA.

Afin de veiller à la sécurité des patients lors de transfusions sanguines, les banques de sang doivent tester les donneurs et les receveurs afin de s’assurer de la compatibilité du sang. Les méthodes de génotypage sanguin utilisées à l’heure actuelle sont complexes et fastidieuses ne permettant pas la caractérisation complète de tous les dons de sangs. Ce projet vise le développement de nouvelles stratégies de génotypage sanguin à l'aide de nanoparticules composites super luminescentes. Ce type de biocapteur pourrait être utilisé afin de faciliter ces opérations en offrant une méthode qui permettrait d’éviter l’étape d’amplification enzymatique qui limite la cadence des analyses. Ce faisant, elle serait beaucoup plus rapide et moins coûteuse que les méthodes traditionnelles. Dans ce mémoire, les différentes étapes de la synthèse de nanoparticules cœur-coquille fluorescentes, la fonctionnalisation de surface ainsi que la caractérisation des performances analytiques du système développé seront abordées. Les nanoparticules utilisées sont formées d'un cœur d'argent afin d'exploiter leurs propriétés plasmoniques. Elles sont ensuite recouvertes d'une couche de silice qui permet de rehausser la stabilité de la suspension colloïdale et qui peut être dopée avec des fluorophores. Par la suite, des brins d’ADN sonde sont greffés à la surface des nanoparticules afin de capturer spécifiquement les cibles d’ADN complémentaires, une tâche qui sera facilitée par la surface de silice des nanoparticules qui donne accès à plusieurs stratégies de fonctionnalisation utilisant la chimie des silanes. Pour terminer, un polymère transducteur est couplé à la sonde d’ADN et permet la reconnaissance de la réaction d’hybridation par un mécanisme de transfert d’énergie résonant (FRET, «Förster Resonant Energy Transfer»). / To ensure patient safety during blood transfusions, blood banks must test donors and receivers to ensure the compatibility of blood. Blood genotyping methods used presently are complex and fastidious and do not allow the complete characterization of all donated blood. This project involves the development of new strategies for blood genotyping using super luminescent composites nanoparticles. Such biosensors could be used to facilitate these operations by providing a method that would avoid the enzymatic amplification step which limits the analysis throughput. In doing so, it would be much faster and cheaper than traditional methods. In this master's essay, the synthesis of core-shell fluorescent nanoparticles, surface functionalization and characterization of the colloids will be presented. Also, the analytical performance of the system developed will be discussed. The nanoparticles are made of a silver core in order to exploit their plasmonic properties. Thereafter, they are covered with a silica layer doped with fluorophores by using a modified Stöber method in order to be stable and fluorescent. Subsequently, DNA single stranded probes are grafted to the surface of these nanoparticles to specifically capture the complementary DNA targets, a task that will be facilitated by the silica surface which provides access to a range of functionalization strategies using silane chemistry. Finally, a polymer transducer is complexed to the DNA probe and allows recognition of hybridization by Förster Resonant Energy Transfer (FRET).

Le domaine des matériaux fonctionnels est en constante recherche de matériaux aux propriétés novatrices. Selon les fonctions visées, il est avantageux de combiner des propriétés de la matière, normalement présentes dans des matériaux différents. Afin de combiner à la fois les propriétés optiques et d’exaltation de la fluorescence des plasmons localisés des particules de métaux nobles et les propriétés magnétiques des particules d’oxyde de fer, des essais de synthèses de particules à structure cœur-coquille sont réalisés. Les objectifs du projet sont la synthèse de cœurs de magnétite d’une taille d’environ 20 nm et le recouvrement de ces cœurs par une coquille d’or uniforme. Les résultats démontrent que le contrôle de la taille des particules magnétiques par coprécipitation est difficile et, en modifiant certains paramètres, entraîne la formation de particules octaédriques de 20 à 200 nanomètres. De plus, la croissance directe d’une coquille d’or en milieu aqueux semble grandement défavorisée.

L’augmentation des bactéries résistantes aux antibiotiques et la diminution du nombre de nouveaux antimicrobiens ont créé un besoin de développer de nouveaux agents antimicrobiens ayant un mode d’action diminuant le risque de développement d’une résistance. L’une des familles ayant un tel potentiel est celle des peptides antimicrobiens. Pour étudier les facteurs agissant sur l’activité biologique des peptides antimicrobiens, un peptide développé dans notre laboratoire, qui comprend des acides aminés 21-couronne-7-L-phénylalanine, est utilisé comme modèle pour la synthèse de plusieurs analogues. Les modifications comprennent : l’ajout à différentes positions d’acides aminés cationiques, différentes longueurs de peptides, différentes grosseurs d’éthers-couronnes et une modification avec un complexe de Zn²⁺. Chaque analogue est caractérisé par des études de dichroïsme circulaire, des études fluorimétriques et des tests d’activité antimicrobienne et d’activité hémolytique. Les résultats ont permis d’identifier plusieurs tendances quant à la position de charges cationiques, la structure secondaire et l’activité des peptides.

Les pérovskites sont des oxydes métalliques mixtes qui peuvent être représentés par la formule générale ABO3. Depuis la première revue mettant en évidence leur activité catalytique, ces matériaux ont attiré l’attention des chercheurs dans le monde entier. Il a été confirmé que les pérovskites peuvent être considérées comme des alternatives rentables et efficaces aux métaux nobles pour plusieurs applications (les réactions de synthèse à titre d’exemple). En outre, ces oxydes métalliques mixtes sont bien connus pour leur stabilité à haute température, leur grande mobilité d'oxygène ainsi que la stabilisation des inhabituels états d'oxydation des cations. Pour ces raisons, plusieurs stratégies ont été développées pour la synthèse de ces matériaux. Cependant, les méthodes conventionnelles de synthèse des pérovskites permettent d’obtenir seulement des matériaux ayant une faible surface spécifique, ce qui constitue un inconvénient majeur du fait que des applications catalytiques sont mis en jeux. La faible surface spécifique est due à un traitement thermique de haute température appliqué au cours de la synthèse de ces matériaux. Le premier objectif de ce présent travail est donc l’obtention d’oxydes métalliques mixtes structurés de type pérovskite avec une grande surface spécifique. Le “Nanocasting”, une méthode de gabarits solides récemment développée, a montré son efficacité pour la synthèse de diverses compositions chimiques ayant des valeurs extrêmement élevées de surface spécifique. En se basant sur cette méthode, plusieurs pérovskites LaBO3 (B = Mn , Ni , Co, Fe) ont été synthétisées. Ces matériaux se caractérisent par leur grande surface spécifique qui peut atteindre 150 m2 g-1. Les premiers essais de l'oxydation totale du méthanol, une molécule sonde, out confirmé que ces nouveaux matériaux sont des catalyseurs très actifs, en particulier les LaMnO3. De plus, d'autres études ont confirmé que l'augmentation de l’activité catalytique est évidemment liée à la plus grande surface spécifique et a la plus grande quantité d’oxygène adsorbée des pérovskites développées. Les résultats ont montré une proportionnalité entre les vitesses des réactions et la surface spécifique du catalyseur. Dans une étude suivante, l’intérêt de la recherche est porté sur reformage du méthane à sec, comme cette réaction est très pertinente pour l’industrie du fait qu’elle consiste en la conversion de deux gaz à effet serre (CH4 et CO2) en gaz de synthèse (CO + H2). Des résultats prometteurs ont été obtenus dans ce cas aussi en utilisant les matériaux développés de type LaNiO3 comme un pré-catalyseur. De meilleures efficacité et stabilité ont été observées pour Ni/La2O3, catalyseurs dérivés des LaNiO3, par rapport à son homologue en vrac. / Perovskites are mixed metal oxides that can be represented by the general formula ABO3. Since the initial report regarding their catalytic activity, these materials have received immense research attention worldwide. Perovskites are proven to be cost effective and efficient alternatives to noble metals for various total/partial oxidation as well as synthetic chemical reactions. Additionally these mixed metal oxides are well known for their high temperature stability, high mobility of oxygen and the stabilization of unusual cation oxidation states. For these reasons various strategies were developed for the synthesis of these materials. However perovskites synthesized using conventional methods generally result in low specific surface area materials, which is a major drawback as far as catalytic applications are concerned. This pertinent lower value of surface area is resulting from the high temperature treatment involved in the synthesis of these materials. This issue was taken up and in the present project the first goal was to obtain perovskite structured mixed metal oxides with high specific surface area. Nanocasting is a recently developed solid templating method that is proven to be efficient for the synthesis of various chemical compositions with extremely high values of specific surface area. By applying this method a series of LaBO3 (B = Mn, Ni, Co, Fe) perovskites were synthesized and these materials were found to posses extremely high values of specific surface areas (up to 150 m2g-1). Initial tests for the total oxidation of methanol as a probe molecule confirmed that these novel materials are highly active catalysts, especially LaMnO3. Further studies confirmed that the enhanced activity was obviously related to the higher specific surface areas and higher amount of adsorbed oxygen species obtained for the nanocast perovskites in comparison with the bulk. Our results demonstrated the proportionality of reaction rates to the specific surface area of the catalyst. In a following study, we chose dry reforming of methane, since this reaction involves the conversion of two green house gases (CH4 and CO2) into syngas (CO + H2), which is more industrially relevant. Promising results were obtained in this case also using nanocast LaNiO3 as a pre-catalyst. Enhanced efficiency and stability were observed for Ni/La2O3 catalysts derived from nanocast LaNiO3 in comparison to its bulk counterpart. In particular, these materials were found to be coke resistant for 48 hours under the conditions of dry reforming.

L’intérêt pour les nanomatériaux, tel que les fullerènes, les nanotubes de carbone et les nanoparticules, est en constante croissance depuis le milieu des années quatre-vingt. Parmi ces nanomatériaux, un qui attire particulièrement l’intérêt des chercheurs est le nanoruban de graphène, soit une feuille de graphène ayant une largeur de moins de 50 nm. Étant donné les faibles dimensions de ce matériau, qui créent un confinement quantique, et du motif de ses parois, les nanorubans de graphène ont des propriétés électroniques qui peuvent être différentes de celles du graphène. De plus, celles-ci sont modulables, c’est-à-dire que la valeur de la bande interdite peut être contrôlée en variant différents facteurs. Les nanorubans de graphène peuvent donc être des semi-conducteurs avec différentes valeurs de bande interdite alors que le graphène est un matériau qui a une valeur de bande interdite nulle. Malgré le grand intérêt pour les nanorubans de graphène, il n’existe encore aucune méthode de synthèse, physique ou chimique, qui permet, à grande échelle, le contrôle des propriétés électroniques. Dans le cadre de ce projet, nous avons voulu développer une méthode alternative, appelée méthode hybride, afin d’obtenir un nanoruban de graphène. La stratégie principale se base sur la réactivité de l’unité 1,3-diarylbutadiyne qui peut polymériser par réaction topochimique sous irradiation UV pour former un nanoruban de polydiacétylène (PDA). Pour permettre ce type de réactions, des paramètres très stricts doivent être respectés et il est possible de les obtenir en auto-assemblant des précurseurs linéaires, contenant des unités 1,3-diarylbutadiyne, sous forme de gel. Nous avons donc développé ces précurseurs, en choisissant avec soin les fonctions présentes sur ceux-ci, afin de permettre l’auto-assemblage sous forme de gel. Par la suite, ces précurseurs auto-assemblés ont permis d’obtenir, après irradiation, des feuillets de PDA. Finalement, les PDAs ont été graphitisés par voie thermique. Afin de mieux comprendre la réactivité et l’influence des unités aryles présentes dans nos PDAs, nous avons étendu notre étude à une nouvelle famille de précurseurs. Ceux-ci n’étaient pas linéaires, ils avaient plutôt un motif en forme « V », c’est-à-dire avec les butadiynes en position 1,3 sur un phényle central. De plus, nous avons évalué l’effet des différentes fonctions des précurseurs sur les propriétés de gélification.

Depuis maintenant quelques années, les polymères conjugués ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique en vertu de leurs propriétés semi-conductrices intéressantes. Récemment, les copolymères de thiéno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (TPD) ont démontré des propriétés optiques et électroniques surprenantes. Ainsi, une partie de cette recherche traite de l’amélioration de ces copolymères par la substitution de l’atome de soufre du TPD par un atome d’oxygène ou de sélénium. Ce mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier offre une introduction générale du champ de recherche présentant les enjeux et mettant en contexte les objectifs principaux du projet. Les deuxième et troisième chapitres présentent quant à eux la synthèse des comonomères et copolymères modifiés relativement au TPD tandis que la caractérisation des copolymères est abordée au chapitre quatre. Finalement, un retour sur les travaux ainsi que les perspectives de ce projet se retrouvent au chapitre cinq.