Self-assembly of patchy nanoparticles into colloidal molecules, colloidal polymers and two-dimensional structures

Auto-assemblage de nanoparticules à patchs en molécules colloïdales, polymères colloïdales et structures bidimensionnelles Cette étude porte sur l’assemblage de particules à patchs pour obtenir de nouveaux matériaux. L’état de l’art nous a permis de choisir et de mettre en oeuvre une stratégie originale dont la force motrice est l’assemblage induit par le solvant, c’est-à-dire basée sur l’adhésivité des macromolécules de polystyrène (PS) jouant le rôle de patch lorsqu’elles sont en présence d’un mélange d’un bon et d’un mauvais solvant. Nous avons étudié l’assemblage en clusters, en chaînes ou en monocouches de nanoparticules (NPs) de silice possédant respectivement un, deux, trois ou six patchs. Des NPs de silice à un seul patch, ayant un rapport de taille patch/particule contrôlable variant de 0,21 à 1,54, ont été obtenues à partir de nanoparticules silice / PS de type monopodes qui ont été préparées par une réaction de polymérisation en émulsion du styrène, après la recroissance de la silice et la dissolution des macromolécules de PS enchevêtrées. Leur assemblage a été réalisé dans des mélanges binaires THF/éthanol (ou eau salée). Des clusters, des chaînes vermiculaires et des bicouches ont été obtenus dans une certaine gamme du rapport de taille patch/particule. La stratégie a été étendue pour obtenir des dimères asymétriques en mélangeant deux NPs de silice à un seul patch avec différents rapports de taille patch/particule. Les NPs de silice à deux patchs avec un rapport de taille patch/particule contrôlable allant de 0,31 à 1,00 ont été préparées selon la même méthode de synthèse que celle utilisée pour les NPs de silice à un seul patch. Nous avons observé l’assemblage de ces NPs sous la forme de chaînes. Nous avons aussi étudié l'effet du rapport de taille patch/particule et nous avons montré que la nature du non-solvant ajouté, par exemple l'éthanol, l'eau ou l'eau salée, et sa fraction volumique doivent être soigneusement ajustées. Par ailleurs, nous avons démontré que l'assemblage colloïdal obéit initialement au modèle cinétique de polymérisation par étapes et qu'au-delà d'une certaine longueur, les chaînes ont la possibilité de se cycliser. Nous avons également montré que la longueur des chaînes peut être contrôlée par l'ajout de nanoparticules de silice à un seul patch, qui agissent comme des analogues colloïdaux des agents de terminaison. Des NPs de silice à trois et six patchs ont également été obtenues par la même méthode de synthèse. Des superstructures hexagonales et des réseaux cubiques ont été obtenus par assemblage de ces NPs. De plus, nous avons profité de l'amination spécifique des patchs de PS pour former des polymères colloïdaux de structure contrôlée grâce à leur greffage covalent avec des sphères de silice complémentaires portant en surface des groupes acide carboxylique activés.