Films minces nanocomposites de type polymère plasma/métal : d'une morphologie contrôlée vers un matériau intelligent

Metal/plasma polymer nanocomposite thin films : from a controlled morphologyto a smart material

• Auteur / Autrice : Séverine Wolak
• Direction : Vincent Roucoules
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/05/2019
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Matériaux intelligents

Revêtements protecteurs

Couches minces

Nanoparticules d'argent

Polymérisation sous plasma

Mots clés libres

Polymérisation plasma

Nanoparticules d’argent

Film mince nanocomposite

Réponse photothermique

Revêtement intelligent

Plasma polymerization

Silver nanoparticles

Nanocomposite thin film

Photo-thermal response

Smart coating

Résumé

Les nanoparticules de métaux nobles ont été largement étudiées dans les secteurs des biotechnologies, de la catalyse ou de l’optique. Ces nanoparticules possèdent, entre autres, une capacité d’échauffement par effet thermoplasmonique, ce qui permet de les utiliser comme nanosources de chaleur. Cet effet a été largement étudié pour des solutions colloïdales métalliques, beaucoup moins pour des matériaux nanocomposites massifs et jamais, à notre connaissance, dans le cas de films minces d’épaisseur nanométrique. Notre groupe mène des activités de recherche sur les revêtements (nanocomposites) intelligents élaborés par polymérisation plasma en mode pulsé. Dans cette étude, nous avons réussi à synthétiser des films minces nanocomposites de type argent/poly(allylamine) par polymérisation plasma suivie d’une réduction d’ions argent au sein de la matrice de polymère plasma. Une étude approfondie de l’influence des caractéristiques physico-chimiques du polymère plasma sur les caractéristiques des nanoparticules obtenues nous a permis de mieux comprendre les interactions existant entre la matrice polymérique et les nanoparticules en croissance lors de leur synthèse in situ. Cette étude a permis d’obtenir des films minces nanocomposites contenant des nanoparticules de taille, de distribution de tailles et de morphologie contrôlées. Ces films minces, d’épaisseur inférieure à 100 nm, ont montré une réponse photo-thermique remarquable sous irradiation par LED. Une augmentation de température de 30 °C a pu être atteinte en contrôlant la taille et la morphologie des nanoparticules (avec une intensité lumineuse de 1,2 W cm-2). Ces propriétés thermoplasmoniques ont finalement été exploitées pour contrôler une réaction thermosensible (réaction de Diels-Alder) en surface du film mince nanocomposite sous irradiation. Ces revêtements nanocomposites de type argent/polymère plasma constituent une nouvelle classe de revêtements intelligents.

Noble metal nanoparticles have been extensively studied in various fields including biotechnology, catalysis and optics. These nanoparticles possess, among other, a unique heating capacity by thermoplasmonic effect, which enables to use them as nanosources of heat. This property has been widely investigated in metallic colloidal solutions, poorly in bulk nanocomposite materials and, to the best of our knowledge, never in nanocomposite thin films having a thickness in the nanometer range. Our group works on the design of smart (nanocomposite) coatings assisted by pulsed plasma polymerization. In this study, we successfully fabricated silver/poly(allylamine) nanocomposite thin films by plasma polymerization and subsequent reduction of silver ions within the plasma polymer matrix. Thorough investigations of the influence of the plasma polymer physico-chemical characteristics on the nanoparticles characteristics led to a better understanding of the interactions existing between the polymer matrix and the growing nanoparticles during their in situ synthesis. This study also enabled to obtain nanocomposite thin films with controlled nanoparticles size, size distribution and morphology. Such controlled nanocomposite thin films, having a thickness lower than 100 nm, finally displayed a remarkable photo-thermal response by LED irradiation. A temperature increase of more than 30 °C could be achieved by tuning the nanoparticles size and morphology (with an irradiation intensity equal to 1.2 W cm-2). Finally, these thermoplasmonic properties were exploited to control a thermosensitive reaction (Diels-Alder reaction) at the surface of the nanocomposite thin film by irradiation. These silver/plasma polymer-based nanocomposite thin films constitute a new class of smart coatings.