Auto-assemblage et propriétés de films multimatériaux nano-organisés avec des anisotropies complexes

Self-assembly and properties of nano-organized multimaterial films with complex anisotropies

• Auteur / Autrice : Jean Muller
• Direction : Olivier Félix, Gero Decher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• 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 : Laurent Heux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Regine, von Klitzing, Serge Ravaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocellulose

Autoassemblage

Propriétés optiques

Biomatériaux

Mots clés libres

Assemblage couche-par-couche

Matériaux bio-inspirés

Nanocellulose

Nanofils d’argent

Anisotropies complexes

Propriétés mécaniques

Capteur de déformation

Layer-by-Layer assembly

Bio-inspired materials

Nanocellulose

Silver nanowires

Complex anisotropies

Mechanical properties

Strain sensor

Résumé

La nature a développé au cours de l’évolution des matériaux nanocomposites avec des structures complexes comme l’architecture hélicoïdale dans les parois cellulaires du bois et de l’exosquelette des arthropodes. Les propriétés remarquables de ces matériaux ont inspiré notre équipe de recherche à développer des matériaux à hautes performances. Nous avons d’abord préparé des films multicouches composés de nanocellulose et de poly(vinylamine) en combinant l’assemblage couche-par-couche et la pulvérisation à incidence rasante (GIS). Des matériaux nanocomposites avec une orientation aléatoire, unidirectionnelle ou hélicoïdale des nanoparticules de cellulose ont été assemblés. La structure des films obtenus a été étudiée par microscopie tandis que leurs propriétés mécaniques et optiques ont été déterminées par analyse mécanique dynamique et spectroscopie par dichroïsme circulaire. Dans un second temps, nous avons exploité les propriétés optiques anisotropes de nanofils d’argent (AgNWs) orientés afin de construire un capteur de déformation sensible à la direction de déformation. Dans ce travail, nous avons aligné ces nanofils par GIS sur un substrat étirable et transparent de poly(diméthylsiloxane). Des mesures réalisées par spectroscopie UV-Visible-IR en lumière polarisée ont pu mettre en évidence que la variation des propriétés optiques de la monocouche alignée de AgNWs au cours de la déformation dépendait à la fois de la polarisation de la lumière mais également de la direction d’étirement. Un modèle a été développé pour déterminer la direction et l’amplitude de la déformation appliquée à partir des mesures optiques au cours de l’étirement du film.

Through evolution Nature has succeeded to form nanocomposite materials with complex anisotropies structures including the helical architectures found in cell walls of wood or in the exoskeleton of Arthropods. The remarkable properties of these materials have inspired our research team to reproduce similar high-performance materials synthetically. We first prepared multilayer films composed of nanocellulose and poly(vinylamine) combining the layer-by-layer assembly and grazing incidence spraying (GIS). Nanocomposite materials with random, unidirectional or helical orientation of cellulose nanoparticles were assembled. The structure and morphology of the resulting films were investigated by electron microscopy while their mechanical and optical properties were determined using dynamic mechanical analysis and circular dichroism spectroscopy. In a second part, we utilized the anisotropic optical properties of oriented silver nanowires (AgNWs) to fabricate a direction-sensitive strain sensor. For this purpose, monolayers of AgNWs were aligned on a stretchable and transparent substrate of poly(dimethylsiloxane). UV-Visible-IR spectroscopy measurements with polarized light revealed that the variation of the optical properties of the oriented AgNW monolayer upon stretching was depending on both the light polarization and stretching direction. A mathematical model was developed for analyzing the optical data and for calculating the applied strain and its direction during linear deformation.