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Les nanocapteurs à diffusion Raman exaltée par effets de surface (SERS) basés sur les nanofibres sont une des technologies prometteuses pour les études cellulaires. Une approche ascendante de nanofabrication des nanofibres reposant sur l'auto-assemblage électrostatique des nanoparticules d'or (AuNPs) chargées avec un film portant des charges opposées qui recouvre la nanofibre est proposée. Les revêtements courants tels que les monocouches auto-assemblées d'alcoxysilanes et les films d'homopolymère souffrent de l'agrégation des AuNPs et d'inhomogénéités. Des gabarits de film en copolymère à bloc (BCP) ayant des motifs de surface bien définis peuvent guider le dépôt ordonné des réseaux d’AuNPs, mais ont été étudiés presque exclusivement sur des substrats plats. L’objectif principal de cette thèse a été de revêtir les nanofibres avec des BCP dans le but d'obtenir des réseaux d’AuNPs denses et uniformes sur la nanofibre. Pour y parvenir, des fibres de verre étirées ayant des diamètres allant jusqu'à 100 nm ont été trempées dans des solutions de polystyrène-bloc-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) dans le THF à différentes concentrations et taux d'enduction. On a constaté que seul un film de type brosse ayant une épaisseur d'environ 3 nm est obtenu sur la nanofibre. Ce film se forme par adsorption où le bloc P4VP ancre le BCP à la surface polaire de la nanofibre de verre via de multiples liaisons hydrogène alors que le bloc PS est exposé à la solution. L'incubation de la nanofibre recouverte de la brosse dans des colloïdes aqueux d'AuNPs entraîne un dépôt d'AuNPs dense et bien dispersé. En revanche, les films de l'homopolymère, P4VP, et d'un copolymèrestatistique, PS-s-P4VP, présentent une certaine agrégation des AuNPs, indiquant un effet de barrière stérique créée par les blocs du PS. Une augmentation de la rugosité de la brosse a été observée après l’immersion dans l'eau, ce qui indique que le dépôt des AuNPs a conduit à un réarrangement local des chaînes du PS pour exposer des portions des chaînes P4VP afin d’attirer les AuNPs. De même, en suivant la cinétique d’adsorption en mesurant l’épaisseur du film sec en fonction du temps d’adsorption, on a constaté que les films saturés avaient une morphologie lisse (obtenue après 2 minutes d’adsorption) et que les films insaturés avaient une morphologie plus rugueuse; cependant, cette dernière n’a pas modifié les caractéristiques de dépôt des AuNPs. Pour une meilleure compréhension, les mêmes films PS-b-P4VP ont été étudiés sur des surfaces planes. L'effet de la courbure de surface s'est avéré similaire à l'effet de la concentration de la solution de polymère, avec une évolution similaire de la morphologie du film pour une concentration décroissante et un diamètre de fibre décroissant, à savoir d'une morphologie de type micellaire à une morphologie partiellement micellaire et partiellement brosse et, finalement, à une morphologie brosse. Alors que cette dernière conduit à un dépôt d'AuNPs denses et bien dispersées, la morphologie micellaire conduit à des petites grappes d'AuNPs (pour de petites AuNPs). Enfin, il a été démontré que les nanofibres peuvent être recouvertes par des BCPs chargés d’ions en utilisant des techniques de revêtement en goutte. En ce qui concerne les applications de l'optophysiologie SERS, la nanofibre revêtue d’AuNPs denses et bien dispersées grâce au BCP en brosse s'est révélée, par la détection in vitro des neurotransmetteurs, plus performante., Surface enhanced Raman scattering (SERS) nanosensors based on pulled nanofibers are a promising technology for cellular studies. A bottom-up nanofabrication approach towards SERS nanofibers is based on electrostatic self-assembly of charged gold nanoparticles (AuNPs) with a film carrying opposite charges that coats the nanofiber. Common coatings such as self-assembled monolayers of alkoxysilanes and homopolymer films suffer from AuNP aggregation and inhomogeneities. Block copolymer (BCP) film templates having surface patterns can guide the ordered deposition of AuNP arrays, but have been investigated almost exclusively on flat substrates. A major objective of this thesis is to coat nanofibers with BCPs with the aim of achieving uniform AuNP arrays on the nanofiber. To achieve this, pulled glass fibers with sub-micron tip diameters were dip-coated from polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) solutions in THF of various polymer solution concentrations and dip-coating rates. It was found that only a brush film with a thickness of about 3 nm was obtained on the nanofiber. The brush film forms by adsorption, where the P4VP block anchors the BCP on the polar surface of the glass nanofiber via multiple H-bonds and the PS block dangles into the solution. Incubating the BCP-coated nanofiber in aqueous AuNP colloids leads to the deposition of dense and well-dispersed AuNPs on the nanofibers. In contrast, P4VP homopolymer and PS-s-P4VP random copolymer films show significant AuNP aggregation, indicating a steric barrier effect provided by the PS blocks. An increase in roughness of the BCP brush film was shown after immersion in water, indicating that the AuNP deposition results from local PS chain rearrangement to expose portions of the P4VP chains for attracting AuNPs. Similarly, when following the adsorption kinetics by measuring the dry film thickness as a function of adsorption time, it was found that saturated films had a smooth morphology (achieved within two minutes of adsorption) and unsaturated films exhibited a rougher morphology, but this did not change the deposition pattern of the AuNPs. For greater understanding, the same dip-coated PS-b-P4VP films were studied on flat surfaces. The effect of surface curvature (fiber diameter) was found to parallel that of changing polymer solution concentration, as indicated by a similar film morphology evolution between decreasing polymer solution concentration and decreasing fiber diameter. Notably, it changes from a full micellar morphology to a mixed morphology of micelles and the brush layer (dewetting) to a full brush layer. While the featureless brush films led to dense and well dispersed AuNP deposition, the dots led to small AuNP clusters for AuNP diameters of about 10 nm. Finally, it was shown that nanofibers can be coated with gold ion-loaded BCPs using drop-coating techniques. In terms of applications in SERS optophysiology, the BCP brush-coated nanofiber with well dispersed AuNP deposition was shown to give a superior performance, as shown by in vitro detection of neurotransmitters.

Les complexes supramoléculaires dans lesquels un azobenzène photoactif est lié de manière non-covalente à un polymère représentent des alternatives simples, économiques et flexibles par rapport aux matériaux photosensibles traditionnels de type azopolymères à chaînes latérales. La photoisomérisation rapide et réversible des azobenzènes permet d'exercer un contrôle externe efficace des propriétés du matériau hôte et peut donner lieu à des déplacements moléculaires à grande échelle, tels que le transport de masse macroscopique photoinduit sous illumination par de la lumière polarisée. Les phénomènes induits par la lumière dans les azomatériaux offrent un grand potentiel dans divers domaines d’application allant de la photonique à la biologie. Les matériaux supramoléculaires photosensibles sont souvent basés sur des liaisons hydrogène mais l'utilisation des liaisons ioniques entre des composés de charges opposées est également une approche supramoléculaire intéressante pour concevoir des complexes azopolymères. Dans ce mémoire, les assemblages supramoléculaires du poly(4-vinylpyridine) (P4VP) photopassif et de son dérivé quaternisé (P4VPMe) sont liés par des liaisons hydrogène et ioniques à de petites molécules photoactives analogues, respectivement le 4-hydroxy-4’-diméthylamino- azobenzène (azoOH) et l'orange de méthyle (MO), qui présente un groupement sulfonate à la place de la fonction OH. Ces complexes photoactifs sont étudiés avec les objectifs suivants : 1. Comprendre l'effet du type d'interaction sur les propriétés photoinduites des azocomplexes, en particulier leur orientation moléculaire et l’efficacité de diffraction de leurs réseaux de relief de surface (SRG). 2. Déterminer le rôle de la masse molaire du polymère (5,2 kg/mol, 50 kg/mol et 200 kg/mol) sur la photosensibilité des azocomplexes. La complexation entre les composants est d'abord confirmée par spectroscopie infrarouge statique (IR) et RMN 1H. La spectroscopie UV-visible de film minces irradiés par un faisceau laser à 488 nm polarisé linéairement confirme l'absence de séparation de phases et révèle un pourcentage minimum d'isomères cis à l'état photostationnaire similaire pour les deux séries de complexes (respectivement 14% et 20 % pour azoOH et MO). La spectroscopie IR d'absorption structurale avec modulation de la polarisation (PM-IRSAS) est ensuite utilisée pour étudier l'impact du type d'interaction supramoléculaire et de la masse molaire du polymère sur l'orientation photoinduite des azocomplexes. Leurs mouvements macroscopiques photoinduits par un patron d'interférence de lumière polarisée circulairement à 488 nm sont également étudiés en mesurant in situ l'efficacité de diffraction lors de l'inscription de SRG. Nous avons trouvé que les complexes ioniques répondent à la lumière beaucoup plus fortement que les complexes analogues liés par liaisons H, à la fois en termes d'orientation et d'efficacité de diffraction. Les résultats de PM-IRSAS montrent également une contribution beaucoup plus grande de la redistribution angulaire sur la déplétion angulaire sélective (angular hole burning) pour les complexes de MO. Par contre, la masse molaire du polymère hôte n’a pas d’impact important sur la photo-orientation moléculaire, alors qu’elle a un effet substantiel sur l’efficacité de l’inscription des SRG, le complexe de faible masse molaire présentant une performance supérieure à celle des deux autres complexes. Nous concluons que l'enchevêtrement des chaînes joue un rôle plus important que la température de transition vitreuse pour le phototransport dans ces systèmes. Le mémoire fournit des connaissances fondamentales sur l'effet de la nature et de la force des interactions supramoléculaires sur la photosensibilité des azocomplexes, contribuant ainsi à améliorer la conception de polymères photosensibles supramoléculaires efficaces., Supramolecular non-covalently bonded azobenzene-containing complexes are easy-to-prepare alternatives to covalently bonded azopolymers as photoresponsive materials. The rapid and reversible nanoscale photoisomerization of azobenzenes enables effective external control of the host material's properties and they can give rise to large-scale motions, such as macroscopic mass transport with polarized illumination. The light-induced phenomena in azomaterials offer great potential in various areas ranging from photonics to biology. Photoresponsive supramolecular materials often hydrogen bond between a passive polymer and a photoactive small molecule. However, ionic bonding between oppositely-charged components is also a versatile supramolecular approach to design azobenzene-containing systems. In this M.Sc. thesis, supramolecular assemblies of photopassive poly(4-vinylpyridine) (P4VP) and its quaternized derivative (P4VPMe) are hydrogen-bonded (H-bonded) and ionically bonded (i-bonded), respectively, with analogous photoactive small molecules. The small molecules studied are 4-hydroxy-4-dimethylaminoazobenzene (azoOH) and methyl orange (MO), respectively, where the OH functionality of azoOH is replaced by a sulfonate group in MO. These photoactive complexes are studied with the following objectives: 1. To understand the effect of the bonding type on the photoinduced properties of azocomplexes, in particular their molecular orientation and their surface relief grating (SRG) diffraction efficiency (DE). 2. To determine the role of the polymer molecular weight (5.2, 50, and 200 kg/mol) on the photosensitivity of the azocomplexes. The complexation between components is first confirmed using static infrared (IR) spectroscopy and 1H NMR. UV-visible spectroscopy studies under illumination of linearly polarized 488-nm laser light of spin-coated thin films confirms the absence of phase separation in both series of complexes and reveals a similar minimum percentage of cis isomers (14% vs. 20% for azoOH and MO, respectively). Polarization modulation infrared structural absorbance spectroscopy (PM-IRSAS) is then used to investigate the impact of the supramolecular interaction type and the polymer molecular weight (MW) on the molecular-level photoinduced orientation () of the azocomplexes using linearly polarized 488-nm light. Then, their photoinduced macroscopic-scale motion that produces surface relief gratings (SRG) is investigated using an interference pattern of circularly polarized 488-nm light. We find that i-bonded complexes respond to light more strongly than their analogous H-bonded complexes, both in terms of and DE values. The PM-IRSAS results also show a much larger contribution of angular redistribution over angular hole burning for the MO-based complexes. In addition, the host polymer MW does not impact the molecular photo-orientation, while it does affect the SRG inscription efficiency. The low MW complex shows a higher DE than the two higher MW complexes. We can conclude that chain entanglement plays a more important role than the glass transition temperature for phototransport in these systems. The M.Sc. thesis provides fundamental knowledge of the effect of the supramolecular interaction type and strength on the photosensitivity of azocomplexes. This knowledge contributes to practical guidelines for the design of efficient supramolecular photoresponsive polymers.

Actuellement, le système multicouche employé pour revêtir les panneaux composites destinés à meubler la cabinetterie des avions de Bombardier est sujet à ce que l’on appelle « l’instabilité dimensionnelle ». Ce terme est plus communément connu sous le nom de « peau d’orange » et fait référence aux irrégularités topologiques dudit fruit. Ces défauts sont synonymes de délais, voire de retours, et s’accompagnent de pertes économiques majeures. L’objectif principal de ce projet consiste à étudier les mécanismes sous-jacents à la formation de l’instabilité dimensionnelle dans la cabinetterie en composite des avions d’affaires. Un vaste éventail de techniques analytiques a été sélectionné afin de détecter l’instabilité dimensionnelle, d’en déterminer les origines (une combinaison de facteurs est soupçonnée), et de comprendre les conditions responsables de son apparition. Une phase d’étude préliminaire fait mention des principales techniques de caractérisation physico-chimique employées par l’Université de Montréal (microscopie optique et à force atomique, spectroscopie et microscopie infra-rouge à transformée de Fourier, et profilométrie à contact) et présente les conclusions associées à ce jour. On présente ensuite la conception, le développement et le fonctionnement d’un outil destiné à quantifier l’aspect peau d’orange : l'Anatex. Dans l’optique de confirmer le bon fonctionnement de l'Anatex, une corrélation des résultats obtenus avec cet outil a été effectuée avec ceux d’un profilomètre à contact – outil disponible et capable de quantifier l'aspect peau d'orange au sens de la littérature. Finalement, l'analyse d'échantillons de panneaux composites préparés spécifiquement pour cette étude, et selon les standards de Bombardier, a servi à évaluer l’influence de l’essence de la feuille de bois ornementale du contreplaqué et l’impact du traitement ignifuge – deux matériaux constituants les panneaux composites. Ces échantillons ont subi des traitements thermo-hygrométriques différents et destinés à provoquer l’apparition du défaut peau d’orange. Les analyses de ces échantillons ainsi traités ont été réalisées avec un profilomètre à contact, l'Anatex et un Wave-Scan DOI – outil actuellement employé dans l'industrie pour détecter et quantifier l'effet peau d'orange. Ces essais ont permis, entre autres, de comparer les résultats de l'outil développé en interne avec ceux de l'outil industriel, et de détecter certaines des limites de l'Anatex., Presently, Bombardier Aerospace is experiencing challenges associated with dimensional instability in the clear coat finish that is applied to the veneer on aircraft cabinetry. The “dimensional instability” term is also known as the “orange-peel defect” and refers to topological irregularities. The ongoing product failures lead to delays in delivery of the aircraft, return of the aircraft for reworking the veneer finishing, and accompanying economic loss. The goal of the proposed research is to investigate the underlying mechanisms of defect formation in composite cabinetry in business aircraft. A wide array of analytical techniques has been used to detect the dimensional instability, to determine its origins (a combination of factors is suspected) and to understand the conditions that lead to its development. A preliminary study lists the main physico-chemical characterization methods used by Université de Montréal (optical and atomic force microscopies, Fourier transform infra-red spectrometry and microscopy, and contact profilometer) and introduces the present conclusions. Next, the conception, the development and the functioning of a tool designed to quantify the orange-peel defect, the Anatex, is described. In this context, the results of the Anatex and those of the contact profilometer have been correlated leading to a calibration curve that confirms that the Anatex is operating as expected. According to the literature, the contact profilometer is an appropriate tool to quantify the orange-peel. Finally, analyses carried out on samples of custom-made composite panels, prepared according to Bombardier’s standards, have been used to evaluate the influence of the wood veneer top layer species and the impact of the fire retardant; those two materials are part of the composite panels. Samples underwent different thermohygrometric treatments intended to cause orange-peel defects. Analyses on treated samples were performed with a contact profilometer, the Anatex and a Wave-Scan DOI – a tool currently employed in the industry to detect and quantify orange-peel defects. Amongst others, the results gave the opportunity to compare both devices, and some of the Anatex’s limits were detected.

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie., Self-assembly of block copolymers (BCPs) attracts much interest due to their ability to spontaneously generate ordered materials with unique properties. For many applications, such as masks in nanolithography, separation membranes in medical diagnostics, and nanotemplates for nanowire fabrication, manufacturing into thin films is required. The Langmuir-Blodgett (LB) and Langmuir-Schaefer (LS) techniques are commonly used to produce ultrathin or monolayer films at the air/water interface that are transferred to solid substrates. LB/LS films of amphiphilic BCPs self-assemble into various morphologies, depending on the BCP composition and other factors. In our work, we investigated LB/LS films of polystyrene-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) and their supramolecular complexes with, naphthol (NOH), naphthoic acid (NCOOH) and 3-n-pentadecylphenol (PDP). The first part of the thesis was devoted to the investigation of PS-P4VP complexes with NOH and NCOOH, in comparison to PS-P4VP alone. It was shown that a plateau in the Langmuir isotherm, indicative of a first-order transition, is absent at high spreading solution concentrations for the complexes. This was correlated with an absence of the expected dot morphology with 2D hexagonal-like order at low surface pressure. Above the transition, when present, the morphology has 2D square order. The second part of the thesis re-examines the PS-P4VP/PDP system, which was previously shown to undergo a transition from 2D hexagonal to square order at the isotherm plateau pressure. This was confirmed here, and a detailed ATR-IR study of LB films was then undertaken to better understand molecular-level changes occurring at this transition. It was found that, contrary to another study in the literature on a different system, there is no change in alkyl chain orientation. Instead, it was found that the pyridine group loses its low-pressure orientation and there is increased phenol-pyridine hydrogen-bonding above the transition pressure, which is rationalized by a partial collapse of the low-pressure molecularly ordered P4VP monolayer at the transition pressure. This study leads to an improved understanding of the processes occurring at the air/water interface, which is a basis for the further possible applications of LB/LS films in nanotechnologies.

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique., Dip-coating is a rapid and efficient method for forming thin films of block copolymers (BCPs) of various thicknesses and nano-morphologies. However, very few studies focused on dip-coating of supramolecular and/or photosensitive BCPs. Dip-coating of poly(styrene-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) BCPs was first studied using the small molecules (SM), 1-naphthoic acid (NCOOH) and 1-naphthol (NOH), which can form hydrogen bonds with the P4VP block, in four different solvents [tetrahydrofuran (THF), p-dioxane, toluene and chloroform]. The uptake molar ratio, SM/VP, in the thin films generally increases with the dip-coating rate, but its variation is strongly dependent on the solvent and the PM used. More specifically, the uptake ratio as well as the morphology of the dip-coated thin films depend on the ability (or lack thereof) of the solvent to form hydrogen bonds with the SM and its selectivity towards the PS block, which leads (or does not lead) to micellar P4VP/PM solutions, where the rigidity of the micellar cores influences the kinetic state of the dried thin film. The dependence of film thickness on the dip-coating rate, which is V-shaped, defines two regimes, termed capillarity and draining. These regimes influence the uptake ratio and final morphologies differently. Subsequently, we investigated a relatively low molecular weight PS-P4VP (24k-9,5k), which does not form micellar solutions in THF, complexed with two photosensitive azobenzene (AB) small molecules, namely 4-hydroxy-4'-butyl-azobenzene (BHAB) and 4-hydroxy-4'-cyano-azobenzene (CHAB). These ABs not only can form hydrogen bonds with the P4VP block but can also isomerize between trans and cis forms under illumination. Experiments with PS-P4VP/BHAB in THF (non-micellar) and toluene (micellar) showed that irradiation during dip-coating provokes a transition from spherical to cylindrical morphology at low dip-coating rates not observed in the dark. This transition is explained by the increase in the BHAB/VP uptake ratio under illumination and by the larger volume of the BHAB cis form relative to BHAB trans isomers. Irradiation also increases the film thickness, even without AB present, which is attributed to a heating effect. Thus, the combination of in-situ irradiation with dip-coating has been shown to be a useful and simple method for external control of photosensitive thin film patterns. Finally, THF solutions of PS-P4VP/CHAB and PS-P4VP/BHAB with the low molecular weight BCP (non-micellar) and a BCP of higher molecular weight (36,5k-16k, micellar) were investigated to understand the effect of shorter (CHAB) vs. longer (BHAB) AB half-life and the presence or not of micelles in solution. The morphological photocontrol loses some of its effectiveness with CHAB, as shown by the less pronounced increase in uptake ratio of CHAB compared to BHAB in the illuminated films relative to non-irradiated films dip-coated from THF solutions. The presence of micelles does not influence the (BHAB/VP) uptake ratio, but it slows down the morphological evolution in the drying films, as shown by the freezing in of greater spherical morphological character compared to the non-micellar solution, thereby limiting the possibilities of a morphological transition.

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces., Supramolecular chemistry is based on the non-covalent assembly of simple building blocks, from small molecules to polymers, to synthesize functional or complex materials. Poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) is one of the most used supramolecular components because its side-chain pyridine rings can interact with many species, such as monofunctional and bifunctional small molecules, through various types of interactions. In this thesis, supramolecular assemblies of P4VP hydrogen-bonded with various small molecules are studied with the objectives of facilitating the electrospinning of polymers and to better understand and optimize the photoresponse of azobenzene-containing materials. A new approach is proposed to widen the applicability of electrospinning, a common technique to produce thin nanofibers. To this end, a complex between P4VP and a bifunctional hydrogen bond crosslinker, 4,4’-biphenol (BiOH), is prepared to increase the electrospinnability of P4VP solutions. To better understand this complex, a new infrared (IR) spectroscopy method is first developed to quantify the extent of complexation. The method allows determining a key parameter, the absorption coefficient ratio of a pair of bands due to free and hydrogen-bonded pyridine rings, by using 4-ethylpyridine as a liquid model compound. This method is applied to many hydrogen-bonded P4VP complexes and should be generally applicable to other polymer complexes. Scanning electron microscopy (SEM) reveals the significant effect of BiOH on the electrospinnability of P4VP with high and low molecular weights. The minimum concentration for the formation of beaded fibers decreases in N,N’-dimethylformamide (DMF) and to a greater extent when nitromethane, a poor solvent for P4VP and a non-solvent for BiOH, is added to decrease the hydrogen bond breaking effect of DMF. Hydrogen bonding in P4VP-BiOH solutions and fibers is quantified by IR spectroscopy and rheology results demonstrate the capability of the effective crosslinks, as analogs to physical entanglements, of increasing the viscoelasticity of P4VP solutions to better resist the formation of droplets. This effective crosslinking works due to bifunctional interactions of BiOH with two P4VP chains and between the hydroxyl groups of monofunctionally complexed BiOH. Studies of other small crosslinkers show that the stronger effective crosslinking introduced by carboxylic acid groups and zinc (II) ions leads to better electrospinnability than the hydroxyl groups of BiOH. Additionally, sublimation is found to be effective to remove BiOH from fibers without affecting their morphology, providing a smart method for preparing fibers of pure polymers with limited electrospinnability. Two complexes between P4VP and photoactive azobenzenes bearing the same hydroxyl head group and different tail groups, either cyano (ACN) or hydrogen (AH), are studied by polarization modulation infrared structural absorbance spectroscopy (PM-IRSAS) to investigate the impact of the tail groups on their performance upon irradiation with linearly polarized light. We find that ACN leads to photo-orientation of both P4VP side-chains and azobenzenes, while AH only leads to a weaker orientation of the chromophores. Photo-orientation of the azobenzenes decreases for both complexes with increasing chromophore content, but the orientation of P4VP increases. On the other hand, the residual orientation after thermal relaxation increases with increasing ACN content, for both ACN and P4VP, but the opposite trend is found for AH. Such differences suggest the impact of the dipole moment on the rotational diffusion of chromophores. These findings will contribute to directing the design of efficient azobenzene-containing polymer materials.

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs., Much effort in the area of polymer materials involves the development of new functional materials for specific, often highly sophisticated, applications using simplified methods of synthesis and preparation. This thesis focuses on photo-responsive polymers – i.e. functional materials that respond in various ways to light – that are prepared with the aid of supramolecular chemistry – i.e. a preparation method that relies on the spontaneous selfassembly of simpler molecular building blocks via noncovalent interactions to form the final targeted material. Two types of photo-responsive materials were targeted, namely block copolymer thermoplastic elastomers (TPEs) and photo-responsive homopolymer complexes. TPEs are well-known, even commercial, materials that are typically based on triblock copolymers with a highly flexible middle block and rigid outer blocks that phase separate into isolated domains of the hard, outer block phase within a matrix of the soft block phase, and they have the advantage of being recyclable. For the first time, to our knowledge, we have prepared such materials with photo-responsive properties based on supramolecular complexation between a simpler parent triblock copolymer and a small molecule possessing the photo-responsive functionality via an azobenzene group. Specifically, this involved the ionic complexation of the quaternized form of a block copolymer, poly(dimethylaminoethyl methacrylate)-poly(n-butyl acrylate)-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDM-PnBAPDM), synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP), with methyl orange (MO), a commercially available SO3 --functionalized azo-containing compound. PnBA has a subambient glass transition (-46 °C) and the MO-complexed PDM outer blocks have a high glass transition (140-180 °C, depending on the molecular weight). Simple elasticity tests show that the complexed block copolymers with hard block weight fractions between about 20 and 30% have elastomeric character. AFM and TEM (atomic force and transmission electron microscopies) of spin-coated films show a correlation between the elastomeric character and morphologies where the hard block forms a dispersed minority phase (spherical and/or short cylindrical domains). A continuous hard phase (inverted morphology) is observed for a hard block content of around 37 wt %, which is much lower than found for neutral block iv copolymers due to ionic interactions. Reversible photoisomerization was demonstrated for these materials in both solution and in film form. The synthesis of the PDM-PnBA-PDM block copolymer was then optimized by using the halogen exchange technique in ATRP, along with other modifications to the polymerization recipe. Monodisperse products were obtained for both the macroiniaitor and the block copolymer. Based on a single parent block copolymer, a series of partially/fully quaternized and complexed block copolymers were prepared. Preliminary stretching tests on the MO-complexed block copolymers showed that their elasticity is correlated with the hard block content, which can be tuned by the degree of quaternization and complexation. Finally, a series of homopolymer complexes self-assembled from PDM and azobenzene derivatives bearing three different groups capable of directed interactions with the amino moiety of PDM (OH, COOH and SO3 -) were prepared, where the azo derivative associates with PDM via hydrogen-bonding interactions, by ionic bonding mixed with hydrogen bonding through proton-transfer (acid-base) interactions, and by purely ionic interactions via ion exchange procedures, respectively. The influence of the azo content and bonding type on surface relief grating (SRG) inscription was investigated. The SRG diffraction efficiencies and grating depths in spin-coated films show that ionic bonding and high azo content leads to more efficient SRG formation.

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP., Although it is an important industrial process, block copolymer thin films obtained by dip-coating have been far less studied than those obtained by spin-coating. However, this technique allows precise control of film properties and morphologies without the need for subsequent annealing. Besides the process itself, the ability to modify the morphology of block copolymer thin films is of interest for their use in nanotechnology applications. Here, we investigated supramolecular thin films of poly(styrene-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dip-coated from tetrahydrofuran (THF) solutions containing small molecules that hydrogen bond to P4VP. In the initial dip-coating conditions, films complexed with 1-naphthol (NOH) show a dot morphology (spheres), whereas those containing 1-naphthoic acid (NCOOH) show a stripe morphology (horizontal cylinders). It was discovered that the amount of small molecule in the film, measured by infrared spectroscopy, varies with dip-coating rate, but is the same for both small molecules at any given rate. A thermal study showed that a small fraction of the small molecule, more NOH than NCOOH due to the weaker H-bond of the former, is dispersed in the PS phase, thus rationalizing the difference in their morphology evolution with rate. Thus, the dip-coating rate is a key parameter for controlling both the average film thickness and, for supramolecular polymers, the film composition. We observed that the evolution of the thickness with rate can be modeled by two regimes, in accordance with a recent literature study on dip-coated sol-gel films. At low rates, the thickness first decreases (capillarity regime), reaches a minimum and, at higher rates, increases (draining regime), resulting in a V-shaped film thickness/dip-coating rate curve. In parallel, the amount of small molecule in the film increases with rate in the capillarity regime before reaching a plateau corresponding to the solution composition in the draining regime. Morphology changes, related to the film thickness and the small molecule content, are therefore observed by modifying the dip-coating rate. We further show that the dip-coating solvent also influences the composition and morphology of the film, by comparing the use of chloroform (CHCl3), which is a good solvent for both blocks, with THF, which is a non-solvent for P4VP. With CHCl3, the small molecule content remains constant with the dip-coating rate, although it is higher for NCOOH than for NOH. Furthermore, the morphology of NOH-containing PS-P4VP thin films shows stripes and flat-on lamellae, whereas those containing NCOOH show only flat-on lamellae. This is attributed to the difference in their small molecule content, possibly modulated by the reduction in solubility of the P4VP block in CHCl3 when complexed with the small molecule. Finally, dip-coated films were used as templates for the controlled adsorption of gold nanoparticles. Prior to adsorption, solvent annealing was applied to the films either to improve the long-range order of the P4VP dots or to change the film morphology, which is dependent on the solvent used (THF or chloroform). They were then exposed to a 15-nm gold nanoparticles solution, which allows the selective adsorption on the P4VP dots (or stripes). It was possible to adsorb one nanoparticle per P4VP dot by matching their diameters.

Les copolymères séquencés amphiphiles sont très prometteurs pour des applications de technologie de pointe en raison de leur capacité à s'auto-assembler dans des structures bien organisées à l'échelle du micro– et du nanométre, et de leur sensibilité à des stimulations de différentes natures. La formation des nanomotifs bien ordonnés dans les films et/ou en masse fournit un substitut à la nanolithographie et est utile pour le design et l'ingénierie de nanomembranes et de matériaux nanoporeux. L'auto–assemblage dans des solvants sélectifs, en incluant la sensibilité au pH et à la température, peut être ajusté pour correspondre aux besoins de différentes applications biomédicales, telles que l’encapsulation et/ou relargage de médicaments, l'ingénierie de tissus, etc. Dans ce contexte, des copolymères séquencés de type L–lactide (LLA) et méthacrylate 2–diméthylaminoéthyl (DMAEMA) sont d’un grand intérêt. Comme le contrôle sur l'auto–assemblage des copolymères séquencés est permis au niveau moléculaire, il est très important de préparer des copolymères bien définis avec des longueurs de bloc prévisibles et de faible polydispersité. Ainsi, une partie de cette étude a été consacrée au développement de procédures synthétiques optimales et à la caractérisation détaillée de copolymères di– et triblocs de LLA et de PDMAEMA. Un outil simple pour déterminer la présence d'homo–PLLA résiduel a été développée; cela a permis de déterminer et d'expliquer plusieurs voies de synthèse indésirables. La dernière inclut la participation possible de l'amorceur bifonctionnel utilisé, et nous avons alors proposé un système alternatif d'amorceur bifonctionnel/catalyseur. La racémisation du LLA par les unités amine de (P)DMAEMA a été observée pendant la polymérisation, limitant ainsi l'utilisation première du bloc PDMAEMA pour la préparation des copolymères PLLA–b–PDMAEMA. Les études thermiques et de cristallisation, en incluant les copolymères séquencés partiellement quaternisés, ont révélé un retard significatif de la vitesse de cristallisation, en présence du bloc de PDMAEMA. Nous avons constaté que les blocs sont miscibles pour de faibles masses molaires et que la miscibilité partielle est maintenue après quaternisation. Selon la longueur et le taux de quaternisation du bloc PDMAEMA, la cristallisation du PLLA a été étudiée dans un environnement restreint et confiné, faiblement ou fortement. La torsion des lamelles cristallines observée pour certains copolymères biséquencés a été accentuée dans les copolymères triséquencés, où la formation de sphérolites annelés a été observée dans toutes les conditions thermiques utilisées., Multi–functional amphiphilic block copolymers have much promise for various high technology applications thanks to the controlled stimuli–responsive self–assembly into well–organized structures on the micro– and nanometer scales. The formation of well–ordered nanopatterns in films and/or in bulk provides a competitive substitute to nanolithography and is useful in the design and engineering of nanomembranes and nanoporous materials. Solution self–assembly in selective solvents, including pH and temperature sensitivity, can be tuned to match the needs of different biomedical applications, such as drug encapsulation/delivery, tissue engineering, etc. In this context, block copolymers of L–lactide (LLA) and 2–dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) are of great interest. Since the control over self–assembly of block copolymer systems is enabled on a molecular level, it is of great importance to prepare well–defined block copolymers with predictable block lengths and low polydispersity. Thus, a major part of the research in this study was devoted to developing optimal synthetic procedures with detailed characterization of linear di– and triblock copolymers of LLA and PDMAEMA. A simple tool to determine homo–PLLA impurity was developed, which helped to determine and explain several undesired routes. The latter includes possible involvement of the bifunctional initiator used, and an alternative bifunctional initiator/catalyst system was proposed. Racemization of LLA by (P)DMAEMA moieties was observed during LLA polymerization thus limiting the utilization of PDMAEMA–first approach for the preparation of PLLA–b–PDMAEMA. Thermal and crystallization studies, including on quaternized block copolymers, revealed a significant retardation effect of the PDMAEMA block on the crystallization kinetics. The blocks were found to be miscible in the melt at low molecular weights, and maintained partial miscibility after quaternization. Depending on the length and the quaternization degree of PDMAEMA, PLLA crystallization was studied in a templated, soft or hard confinement environment. Crystalline lamellae twisting observed in certain diblock copolymers was facilitated in triblock copolymers, where the formation of banded spherulites was observed in all thermal conditions used., Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures., Deeper understanding and control of the self-assembly of diblock copolymers and their complexes at the air/water interface allow the formation of nanopatterns with known properties to provide a competitive substitute to nanolithography. In this dissertation, Langmuir and Langmuir-Blodgett (LB) monolayers obtained from polystyrene-poly(4-vinyl pyridine) diblock copolymers (PS-PVP), alone and hydrogen-bonded by various small molecules [particularly, 3-n-pentadecylphenol (PDP)], have been extensively investigated. A major part of the research was devoted to the study of an uncommon monolayer pattern that we term the nanostrand network. LB monolayers consisting of nanostrands have sometimes been reported in the literature, but are often coexistent with other morphologies, which is not useful for potential applications. We have determined the molecular parameters and experimental conditions that control this morphology, making it highly reproducible, and have proposed a novel mechanism for the formation of this morphology. In addition, we have shown that the use of high-boiling spreading solvents, not usually used for Langmuir film preparation, can improve the nanostrand order. By investigation of a wide range of PS-PVP’s with various block ratios and molecular weights, with and without PDP present, we have established the composition dependence of the main LB morphology types (planar, nanostrand, nanodot) and the influence of each type on spreading solution concentration. This led to an extensive discussion concerning the mechanisms of morphology formation, including kinetic, molecular association, and dewetting contributions. We have also shown that the isotherm plateau transition for nanodot-forming PS-PVP/PDP is related to an order–order transition that occurs simultaneously with PDP reorientation, both aspects being clearly observed by AFM. These studies also form the basis for the use of ultrathin PS-PVP/PDP films as templates. The ability to produce well-controlled nanopatterned films on various substrates has been demonstrated, and film stability has been verified. Removal of small molecules from the nanostructures has revealed the appearance of new substructure of interest for further study.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.