Propriétés mécaniques de films de polyélectrolytes biocompatibles et de systèmes stimulables à base de cristaux liquides

Mechanical properties of biocompatible polyelectrolytes multilayer films and excitable systems based on liquid crystals

• Auteur / Autrice : Riadh Zouari
• Direction : Philippe Martinoty, Dominique Collin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Élastomères

Cristaux liquides

Polymères -- Rhéologie

Propriétés mécaniques

Biocompatibilité

Biomatériaux

Polyélectrolytes

Couches minces

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse comporte deux parties distinctes mais qui toutes les deux portent sur les propriétés mécaniques de systèmes polymères, à savoir les films multicouches de polyélectrolytes et les élastomères cristaux liquides (ECL) secs et gonflés par un solvant nématique. Les expériences ont été effectuées à l’aide d’une technique originale de piézo-rhéologie réalisée au laboratoire, qui soumet les matériaux à des déformations de cisaillement ou de compression très faibles, dans une gamme de fréquence très large pouvant aller de 20 mHz jusqu’à 104 Hz. Les mesures ont toutes été faites dans le régime de réponse linéaire. La première partie de la thèse porte sur les propriétés mécaniques de films de polyélectrolytes appelés multicouches à croissance exponentielle. Elle présente les premières preuves expérimentales montrant que ces films ne sont ni des gels, ni des systèmes en couches comme on le pensait jusqu’à présent, mais des liquides constitués de complexes de polyélectrolytes en solution. Les films réticulés sont des gels mous (~104 Pa) dont la cinétique de formation est gouvernée par un seul mécanisme. La deuxième partie de la thèse porte sur les propriétés mécaniques des ECL nématiquesmonodomaines (ou uniaxes) à chaînes latérales à l’état sec puis à l’état gonflé par un cristal liquide nématique. Les résultats principaux se résument ainsi : a) le comportement mécanique peut simplement être décrit par le modèle de de Gennes et non pas par le concept de l’élasticité molle ou semi-molle, b) un gonflement progressif transforme l’élastomère supercritique en un gel présentant une transition du premier ordre puis en un gel supercritique lorsque le gonflement est total, c) la statistique des chaînes n’est pas gaussienne, d) le gel totalement gonflé est caractérisé par un « dip » qui apparaît dans la courbe donnant la variation thermique de la partie réelle du module de cisaillement. Ce « dip » est indépendant de la direction de cisaillement parallèle ou perpendiculaire au directeur, et aussi de la structure polydomaine ou monodomaine de l’élastomère. Cet état supercritique est confirmé par des mesures de RMN.

The work presented in this thesis has two distinct parts relating to the mechanical properties of polymer systems, namely polyelectrolytes multilayer (PEM) films and liquid crystal elastomers (LCE) in the dry state and in the swollen state, with a low molecular weight liquid crystal (LMWLC) as solvent. The experiments were carried out using an original piezorheology device developed in our laboratory, which imposes very low shear and compression strains to materials, in a wide frequency range (20 mHz – 104 Hz). All measurements were done in the linear response regime. The first part focuses on the mechanical properties of polyelectrolyte films called multilayers with exponential growth. It presents the first experimental evidence showing that these films are neither gels nor layered systems as was thought until now, but liquids consisting of polyelectrolyte complexes in solution. The cross-linked films are soft gels (~ 104 Pa) whose formation kinetic is governed by a single mechanism. In the second part, we investigate the mechanical properties of nematic monodomain (or uniaxial) side chain LCE, when they are dry, and then swollen with a LMWLC. The main results can be summarized as follows: a) the mechanical behavior can be simply described by the de Gennes model and not by the concept of soft or semi-soft elasticity, b) a progressive swelling transforms the supercritical elastomer into a gel exhibiting a first-order nematic to paranematic transition, and then into a supercritical gel when the swelling is total, c) chains are not Gaussian, d) the fully swollen gel is characterized by a “dip” in the curve giving the thermal variation of the real part of the shear modulus. This dip does not depend neither on the shear direction, perpendicular or parallel to the director, nor on the polydomain or monodomain structure of the elastomer. The supercritical state is confirmed by NMR measurements.