Assemblage couche-par-couche de films composites à base de nanocellulose présentant des superstructures hélicoïdales bio-inspirées

Layer-by-Layer assembly of nanocellulose composite films with bio-inspired helicoidal superstructures

• Auteur / Autrice : Randy Mujica
• Direction : Vincent Le Houérou, Olivier Félix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 15/09/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Bégin-Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Pardoen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lars Wågberg, Stephan Roth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocellulose

Biomatériaux

Composites à fibres

Propriétés optiques

Couches minces

Mots clés libres

Nanocellulose

Assemblage couche-par-couche

Alignement par pulvérisation

Films nanostructurés hélicoïdaux

Matériaux bio-inspirés complexes

Propriétés optiques et mécaniques anisotropes

Nanocellulose

Layer-by-layer assembly

Spray-assisted alignment

Helicoidal nanostructured films

Complex bio-inspired materials

Anisotropic optical and mechanical properties

Résumé

Les propriétés optiques et mécaniques remarquables des matériaux naturels sont souvent associées à la complexité de leurs structures hiérarchiques. L’une des plus complexes est la structure hélicoïdale, constituée de plusieurs couches de fibres alignées dont l’orientation tourne entre les couches voisines. Cette microstructure, dite de Bouligand, est associée à la résistance aux chocs accrue de la carapace de certains crustacés ainsi qu’à la réflexion préférentielle de la lumière polarisée circulaire de certains fruits et insectes. Dans ce travail, nous avons fabriqué des films minces bio-inspirés complexes composés de nanofibrilles de cellulose et de poly(vinylamine) en utilisant l'approche couche-par-couche (LbL) et la pulvérisation à incidence rasante (GIS), une méthode permettant de contrôler l'alignement dans le plan de nano-objets anisotropes comme les nanofibrilles de cellulose. Nous avons démontré la possibilité de contrôler de façon indépendante la direction de l'alignement de chaque couche de cellulose. Ainsi, nous avons pu préparer des films minces avec une orientation unidirectionnelle, croisée ou hélicoïdale des nanofibrilles de cellulose, ce qu’il n’est pas possible de faire avec d’autres procédés de fabrication. Les propriétés optiques de ces films ont été caractérisées par dichroïsme circulaire et ellipsométrie spectroscopique à matrice de Mueller. Nous avons observé que la réponse chirale des films hélicoïdaux est contrôlée par le sens de rotation, le pas de l’hélice et le nombre de couches avant rotation. Les propriétés mécaniques de ces films ont été étudiées par différentes méthodes de nanoindentation. La méthodologie de fatigue par nano-contact a montré une ductilité accrue des films unidirectionnels et hélicoïdaux, qui peut être indirectement liée à une absorption accrue de l'énergie de ce matériau lors des sollicitations en raison de sa structure interne.

The remarkable optical and mechanical properties of natural materials are often associated with the complexity of their hierarchical structures. One of the most complexes is the helical structure which consists of several layers of unidirectionally aligned fibers whose orientation rotates with respect to their neighboring layers. This so-called Bouligand microstructure is responsible for the enhanced impact resistance of the shell of some crustaceans as well as the preferential reflection of circularly polarized light of certain fruits and insects. Here, we fabricated complex bio-inspired thin films made of cellulose nanofibrils and poly(vinylamine) using the layer-by-layer (LbL) approach and grazing incidence spraying (GIS), a method allowing to control the in-plane alignment of anisotropic nano-objects like cellulose nanofibrils. We demonstrated the independent direction of alignment of each cellulose layer, which allowed the preparation of thin films with well-defined internal structures, namely, unidirectional, cross-ply or helical arrangement of the reinforcing nanofibrils, which is impossible to achieve by any other fabrication process. The optical properties of these films were characterized by circular dichroism (CD) and by Mueller matrix ellipsometry. The chirality observed for helicoidal films is controlled by the rotation direction, the pitch, and the number of layers. The mechanical properties of these cellulose-based films were studied by various nanoindentation methods. A nano-contact fatigue methodology showed an increased ductility of the unidirectional and helicoidal films, which can be indirectly related to enhanced absorption of energy of this material owing to their internal structure.