Contrôle de l’auto-organisation de virus en forme de filament par modulation de leur interactions via la force ionique, des polymères hydrophiles et des nanoparticules métalliques

Directing through low ionic strength, free polymers and metallic nanoparticles the self-organization of viral rod-shaped colloids

• Auteur / Autrice : Hanna Anop
• Direction : Eric Grelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Grelet, Véronique Schmitt, Patrick Davidson, Minne Paul Lettinga, Olivier Sandre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Davidson, Minne Paul Lettinga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Copolymères

Autoassemblage

Colloïdes

Anisotropie

Inovirus

Mots clés libres

Auto-Organisation et auto-Assemblage

Bactériophage filamenteux

Colloïdes anisotropes

Diblocs colloïdaux

Superstructures hélicoïdales

Self-Organization

Self-Assembly

Anisotropic colloids

Filamentous bacteriophage

Colloidal diblocks

Helical superstructures

Résumé

Les bactériophages en forme de filament, en raison de leurs propriétés physiques uniques, telles que leur monodispersité en taille et leur haute stabilité colloïdale, sont largement utilisés en matière molle en tant que système modèle de bâtonnets colloïdaux. En dispersions aqueuses, l'auto-organisation de ces virus s’est révélée être essentiellement conduite par l’entropie, ce qui implique des interactions purement répulsives entre les particules virales. Dans cette thèse, en modifiant la nature des interactions entre les bâtonnets viraux, nous avons étudié leur auto-organisation en phase cristal-liquides. Dans ce but, nous avons d'abord étudié un système de bâtonnets purement répulsifs à très basse force ionique, et longue répulsion électrostatique. Le comportement de phase de ces suspensions a été déterminé par l’utilisation de la diffusion des rayons X aux petits angles et de la microscopie optique. Nous avons montré que la phase Smectique-A n’est pas stable dans les cas de forte répulsion électrostatique entre particules virales et que le système présente une transition directe de la phase de Cholestérique à la phase Smectique-B en augmentant la fraction volumique. De plus, nos résultats mettent en évidence que les virus dans ces conditions ne forment pas de verres colloïdaux à forte concentration, ce qui contredit de récents travaux réalisés sur le même système.Dans une deuxième partie, nous avons modifié les interactions entre particules virales passant de purement répulsives à attractives en ajoutant des polymères libres aux suspensions, ce qui conduit à un effet de déplétion. En utilisant des polymères dont la taille est similaire au diamètre des bâtonnets, l'auto-organisation des virus, initiée dans la phase cristal-liquide cholestérique, conduit à une croissance de superstructures hélicoïdales. Dans ces structures, les bâtonnets sont principalement orientés le long de l'axe principal et présentent un ordre positionnel à longue portée, démontré par la diffusion des rayons X aux petits angles et le suivi de particules individuelles en microscopie optique. Les diagrammes de phase dse mélanges virus/polymères ainsi que la stabilité dans le temps des superstructures hélicoïdales ont été déterminés et comparés pour deux tailles différentes de polymères.Dans la dernière partie, nous avons favorisé les interactions attractives de Van der Waals dans notre système en introduisant des nanoparticules d'or dans des colloïdes hybrides auto-assemblés à base de virus. Ainsi, différents colloïdes hybrides consistant en un (en forme de sceptre) ou deux (dibloc) virus attachés à la même nanoparticule d'or ont été produits. Cette approche utilisant les nanoparticules d'or a été étendue afin de lier ensemble deux virus de différentes longueurs pour obtenir des diblocs colloïdaux asymétriques. L'auto-organisation des particules en forme de sceptre et des diblocs symétriques induite par déplétion a été explorée et les diagrammes de phases correspondants ont été établis. Nous avons ainsi montré que les interactions de Van der Waals entre nanoparticules d'or favorise la formation de fibrilles de type Smectique-B dans lesquelles les particules de virus sont organisées en une succession de couches séparées par des couches de nanoparticules d’or. Finalement, nous avons étudié l'effet de l'introduction d'une faible asymétrie dans de ces colloïdes hybrides et l’effet sur la ségrégation potentielle de leurs blocs respectifs au travers de la formation de phase lamellaire de type Smectique-A.Dans cette thèse, nous avons ainsi démontré une manière efficace de contrôler l'auto-organisation de colloïdes en forme de filament en modifiant leurs interactions, ce qui conduit à la formation de diverses morphologies auto-assemblées originales.

Filamentous bacteriophages, due to their unique physical properties, such as size monodispersity and high colloidal stability, are widely used in soft condensed matter as a system of rod-shaped colloids. In aqueous dispersions, self-organization of these viruses has been shown to be essentially driven by entropy, which means purely repulsive (hard core) interactions between viral particles. In this thesis, by varying the nature of the interactions between viral rods, we have studied their resulting self-organization into liquid crystalline phases. For this purpose, we have first investigated the system of purely repulsive rods at very low ionic strength, where thick electric double layers are present. The phase behavior of virus suspensions at very low ionic strength has been determined using small angle X-ray scattering (SAXS) and optical microscopy techniques. We have found that the Smectic-A phase is not stable in case of high electrostatic repulsion between viral particles and that the system undergoes a direct Cholesteric to Smectic-B phase transition by increasing rod concentration. Moreover, our results evidence that viruses with thick double layers do not form colloidal glasses at high concentrations, which contradicts recently reported findings for the same system.In a second part, we have tuned viral particle interactions from purely repulsive to attractive ones by adding non-adsorbing polymers in their suspensions, which act as depletant agent. By using polymers with coil size comparable to the rod diameter, virus self-organization initiated from the Cholesteric liquid crystalline phase results in a growth of original chiral superstructures, called helical bundles. Viruses are mostly oriented along the main bundle axis and exhibit long-range positional order, as proved by SAXS and by single particle tracking using optical microscopy. Phase diagrams of virus/polymer two-component mixtures as well as the stability with time of the resultant helical superstructures have been determined and compared for two different polymer sizes.In the last part, we have increased Van der Waals attractive interactions in our viral system by introducing gold nanoparticles into self-assembled hybrid virus-based colloids. Thus, different hybrid virus-based colloids consisting of one (scepter-like) or two (diblocks) viral filaments attached to the same gold nanoparticle have been produced. This approach using gold nanobead has been extended to link together two bacteriophages of different lengths to achieve asymmetric colloidal diblocks. Self-organization of scepter-like particles and symmetrical diblocks driven by soft effective attraction has been explored and the corresponding phase diagrams have been established. We have found that Van der Waals attractive interactions between gold nanobeads incorporated into hybrid colloids favor formation of Smectic-B like fibrils in which virus particles are organized in periodic layers separated by layers of gold nanobeads. Finally, we have studied the effect of introducing a weak asymmetry into hybrid virus-based colloids and investigated the possible segregation of their respective blocks through the formation of the lamellar Smectic-A phase.Overall, we have demonstrated an efficient way to control self-organization of virus-based colloids by varying interactions between them, which results in formation of various original self-assembled morphologies.