Modélisation mécanique et constitutive du comportement photomécanique de couches minces organiques supramoléculaires

Mechanical and Constitutive Modelling of the Photomechanical behavior of supramolecular organic Thin Films

• Auteur / Autrice : Rebeca Cedeño Madera
• Direction : Moussa Naït Abdelaziz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq
• Jury : Président / Présidente : Lucien Laiarinandrasana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Aloise, Sophie Barrau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael Estevez, Stéphane Lejeunes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Chimie supramoléculaire

Photochimie organique

Effets de la lumière

Propriétés mécaniques

Couches minces

Mots clés libres

Diaryléthène

Déformation photo-induite

Commutation photochimique

Photomechanical

Modeling

Smart materials

Finite element analysis

Thin films

Supramolecular Chemistry

Résumé

Récemment, un nouveau type de thin films photoactifs a été développé en combinant du diaryléthène (DTE) fonctionnalisé et du poly(éthylène-co-butylène) (PEB) fonctionnalisé. Ces films présentent un comportement photomécanique en raison de la propriété de commutation photo-chimique de la molécule DTE, tandis que la matrice élastomérique (PEB) confère aux films des propriétés similaires au caoutchouc et une déformation réversible. Pour étudier ce phénomène, nous avons conçu une installation de suivi de mouvement combinant une caméra microscopique et des diodes électroluminescentes (LED) émettant de la lumière visible (VIS) et ultraviolette (UV) pour activer la commutation moléculaire. Nous avons enregistré plusieurs cycles d'irradiation UV-VIS et analysé la vidéo obtenue pour confirmer que l'exposition à la lumière causait une déformation photomécanique des thin films. Notre objectif principal était de coupler lespropriétés de commutation photochimique de DTE avec la déformation induite par la lumière des thin films en utilisant un modèle de photo-cinétique de DTE et des modèles mécaniques non linéaires pour les matériaux similaires au caoutchouc. Nous avons implémenté les deux modèles dans le logiciel d'analyse d'éléments finis (FEA) Marc Mentat en utilisant des sous-routines externes de l'utilisateur. Grâce aux simulations FEA, nous avons démontré la dépendance de l'activation photomécanique à des paramètres tels que l'intensité lumineuse et les propriétés photochimiques et mécaniques des thin films. Enfin, nous avons validé le modèle mécanique proposé en comparant les résultats de simulation avec les données expérimentales.

Recently, a new type of photoactive thin films has been developed by combining functionalized diarylethene (DTE) and functionalized poly(ethylene-co-butylene) (PEB). These films exhibit photomechanical behavior due to the photo-switching property of the DTE molecule, while the elastomeric matrix (PEB) gives rubber-like properties and reversible deformation to the films. To investigate this phenomenon, we designed a movement tracking setup that combined a microscopic camera with visible (VIS) and ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs) to activate the molecular switch. We recorded multiple cycles of UV-VIS irradiation and analyzed the resulting video to confirm that light exposure caused photomechanical deformation in the thin films. Our primary objective was to couple the DTE photo-switching properties with the light-induced deformation of the thin films using a photo-kinetics model of DTE and the nonlinear mechanical models for rubber-like materials. We implemented both models in the finite element analysis (FEA) software Marc Mentat using user external subroutines. Through FEA simulations, we demonstrated the dependence of photomechanical activation on parameters such as light intensity and the photochemical and mechanical properties of the thin films. Finally,we validated the proposed mechanical model by comparing simulation results with experimental data.