Propriétés mécaniques de bicouches et de capsules polymères résolues à l'échelle nanométrique. Etude par microscopie à force atomique

Mechanical properties of polymeric films and capsules at the nanometer scale

• Auteur / Autrice : Baptiste Sarrazin
• Direction : Patrick Guenoun, Wladimir Urbach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/11/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (Gif-Sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Quilliet, François Coulouvrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Phaner-Goutorbe, Sid-Ahmed Labdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoindentation

Couches minces

Nanocapsules

Mots clés libres

AFM

Nanoindentation

Polymère

Nanocapsule

Bicouche

Elasticité

Film mince

Atomic Force Microscopy

Nanoindentation

Elasticity

Résumé

Les propriétés mécaniques des objets complexes à l’échelle nanométrique constituent un enjeu majeur dans de nombreux domaines comme les nano-biotechnologies. La microscopie à force atomique (AFM) est l’outil idéal pour la mesure de force à cette échelle et permet de pratiquer des expériences d’indentation sur des objets nano et micrométriques isolées. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans un contexte de développement d’un nano-objet à visée théranostique composé d’une coque polymère vitreuse contenant un coeur liquide fluoré. Les propriétés mécaniques de ces particules sont hautement mises à contribution, que ce soit pour le transport au sein d’un environnement biologique par voie intraveineuse ou pulmonaire, l’imagerie échographique ou encore la libération contrôlée d’un principe actif par ultrasons. La complexité de ces systèmes, aussi bien du fait de leur géométrie sphérique que de leur aspect composite, rend difficile l’appréciation de leurs propriétés mécaniques, et notamment de leur élasticité. En partant du constat que les objets composites présentent une élasticité variant avec la profondeur d’indentation, une méthode semi-analytique (CHIMER : Coated Half-space Indentation Model for Elastic Response) a été mise en oeuvre afin d’interpréter leur élasticité apparente. Afin de valider cette méthode, des films minces reposant sur des substrats de polydiméthylsiloxane (PDMS) ont été caractérisés par nanoindentation AFM. L'accord obtenu entre le modèle et les données expérimentales permet de comprendre et de prévoir le comportement élastique de films rigides reposant sur un substrat mou. Cette méthode a ensuite été utilisée pour interpréter l’élasticité apparente des capsules polymères. L’influence de l’épaisseur des capsules et de l’élasticité volumique des matériaux qui les composent a ainsi pu être mise en évidence. Cette méthode d’analyse originale a également permis de montrer l’effet de la température et de la fréquence sur l’élasticité apparente des capsules polymères contenant un coeur liquide fluoré.

The mechanical properties of complex objects at the nanometric scale are of great interest in many fields such as nanobiotechnology. Atomic Force Microscopy (AFM) is the ideal tool to measure forces at the nanometer scale and to perform indentation experiments onto isolated objects. This PhD work takes place in the context of the development of a nano-object intended to theranostic applications. These nanoparticules are composed of a glassy polymeric capsule containing a liquid fluorinated core. The mechanical properties of these capsules are fully deployed for the transportation in biological media as well as for the bouncing of ultrasound imaging and their localized destruction. The complexity of those systems, both in term of geometry and composite aspect, makes it difficult to assess their mechanical properties, in particular their elasticity. Giving the fact that composite objects show a variation of their elasticity according to the indentation depth, a semi-analytical method (CHIMER : Coated Half-space Indentation Model for Elastic Response) has been implemented to interpret the apparent elasticity of such system. In order to support this method, polydimethylsiloxane (PDMS) based bilayers have been investigated by AFM nanoindentation. A good agreement between the model and the experimental data has been found and the elastic behavior of a rigid film laid over a soft substrate has been well described at the nanometer scale. This model has also been used to investigate the apparent elasticity of polymeric capsules. The influence of the shell thickness and of the bulk elasticity of the polymer has been therefore shown. Moreover, this original approach has been used to describe the effects of temperature and frequency on the apparent elasticity of polymeric capsules filled with a fluorinated liquid core.