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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/10991 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Fan, Weizheng |
| Contributors | Zhao, Yue |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Weizheng Fan |
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