EP2721081A1 - Matériau auto-assemblé, notamment à base de polymères ou d'oligomères, présentant une structure lamellaire non centro-symétrique - Google Patents

Matériau auto-assemblé, notamment à base de polymères ou d'oligomères, présentant une structure lamellaire non centro-symétrique

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Publication number
EP2721081A1
EP2721081A1 EP12735035.3A EP12735035A EP2721081A1 EP 2721081 A1 EP2721081 A1 EP 2721081A1 EP 12735035 A EP12735035 A EP 12735035A EP 2721081 A1 EP2721081 A1 EP 2721081A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blocks
material according
objects
oligomers
copolymers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12735035.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Dominique Ausserre
Laurent Fontaine
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AUSSERRE, DOMINIQUE
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
University of Maine System
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Le Mans Universite, University of Maine System filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2721081A1 publication Critical patent/EP2721081A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F299/00—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers involving only carbon-to-carbon unsaturated bond reactions, in the absence of non-macromolecular monomers
    • C08F299/02—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers involving only carbon-to-carbon unsaturated bond reactions, in the absence of non-macromolecular monomers from unsaturated polycondensates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F297/00—Macromolecular compounds obtained by successively polymerising different monomer systems using a catalyst of the ionic or coordination type without deactivating the intermediate polymer
    • C08F297/02—Macromolecular compounds obtained by successively polymerising different monomer systems using a catalyst of the ionic or coordination type without deactivating the intermediate polymer using a catalyst of the anionic type
    • C08F297/04—Macromolecular compounds obtained by successively polymerising different monomer systems using a catalyst of the ionic or coordination type without deactivating the intermediate polymer using a catalyst of the anionic type polymerising vinyl aromatic monomers and conjugated dienes
    • C08F297/046—Macromolecular compounds obtained by successively polymerising different monomer systems using a catalyst of the ionic or coordination type without deactivating the intermediate polymer using a catalyst of the anionic type polymerising vinyl aromatic monomers and conjugated dienes polymerising vinyl aromatic monomers and isoprene, optionally with other conjugated dienes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G81/00—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers in the absence of monomers, e.g. block polymers
    • C08G81/02—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers in the absence of monomers, e.g. block polymers at least one of the polymers being obtained by reactions involving only carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C08G81/024—Block or graft polymers containing sequences of polymers of C08C or C08F and of polymers of C08G
    • C08G81/027—Block or graft polymers containing sequences of polymers of C08C or C08F and of polymers of C08G containing polyester or polycarbonate sequences

Definitions

  • the invention relates to a self-assembled material, in particular based on polymers or oligomers, having a lamellar structure with a non-centro-symmetric order.
  • Self-assembled buildings play an important role in the development of new nano-structured materials.
  • the simplest, best organized and most robust are certainly those that spontaneously form block copolymers, because they adopt in simple annealing operations at temperatures of about 150 ° C periodic composite structures particularly regular lamellae, cylinders or spheres that persist in the solid state when cooled to room temperature.
  • the mechanisms underlying this self-assembly are largely independent of the exact chemical nature of the copolymers and the pitch of the structure can be adjusted between typically 5 and 100 nm by playing only on the length of the blocks.
  • block copolymers used pure or mixed with homopolymers or with solvents, is immense and, whether they are compatibilizers for elastomeric materials, biocompatible materials, ultra-resistant plastics, Adhesives, manufacturing techniques in microelectronics or in micro and nano-technologies, nanoporous or nanostructured material manufacturing (hydrogen storage, catalysis, photonic crystals, etc.), their chemical variety is very important.
  • FIGS. 1A-1C illustrate the various lamellar structures, known from the prior art, which can be formed by an AB diblock copolymer. It will be assumed in the description of principle that the two blocks are immiscible, which is most often the case with two polymers of different chemical nature, and that they have the same length and same volume.
  • Figure 1C illustrates a stacking fault in the symmetrical structure of Figure 1A. Defects of this type have an energy too high to be stable, which explains the non-existence in practice of the non-centrosymmetric structure of FIG. 1 B.
  • references 1 and 1 indicate “realistic" representations, in which the diblocks are represented in the form of entangled linear chains, while the references 2, 2 'and 2 "indicate more schematic representations.
  • block block copolymers are organized according to the following rule: two chemically similar sequences (simply called “similar”) tend to collect and two chemically different sequences tend to separate.
  • the association of similar sequences occurs both laterally (by entanglement of similar neighboring blocks) and longitudinally (by interpenetration of similar extreme blocks); see
  • NCS non-central symmetric structures
  • the first NCS structure of a block copolymer material is due to Goldacker et al.
  • NCS order is based on the following properties:
  • the interfacial tension between two similar species (YAA, YBB), which can be negative, presents in any case a very weak modulus with respect to the interfacial - positive tension - between two immiscible species (YA ).
  • interfacial interpenetration voltage between chemically similar blocks of different lengths (such as FA "and FB3 ⁇ 4) is algebraically lower (in algebraic value) than the interpenetration voltage between similar blocks of the same length (YAA, YBB).
  • the ABC / ca / ABC / ca ... stack is slightly favored, in energy terms, over the ABC / CBA / ac / ca / ABC / CBA / ac / ca stack. .. or any other stack comprising bilayers, and the NCS structure is predominantly present. In these materials, the order NCS is thus based on a very slight preference, so that the centro-symmetric order is also present in a significant proportion.
  • the intercalation of a single bilayer such as ca / ac in the structure is sufficient to return the CBA ABC sequence by an ABC / ca / ac / CBA sequence. This stacking fault does not require any interface between additional immiscible species.
  • the material is pure and consists of ABCA tetrablocs, with two A blocks of the same length. It arranges preferentially following the ABCA / ABCA / ABCA lamellar sequence ... rather than according to ABCA / ACBA / ABCA .... The reason is a slight asymmetry between the lengths of the blocks B and C which lead the ends A to adopt different stretching rates, then behaving as if they had different lengths. The mechanism is therefore very similar to that of the previous example. Again, there are symmetrical competing orders and the preference for the non-centro-symmetric order remains very weak.
  • Another example was obtained by Abetz and Goldacker with a mixture of two identical triblocks in composition but having central blocks of unequal length.
  • the interpenetration is monopolar (adjacent molecules in the material are linked together by interactions between only one block of each said molecule) and the material is full of defects and brittle: 29) Volker Abetz, Thorsten Goldacker Macromol. Rapid Common. 21, 16-34 (2000).
  • the layers are still disconnected and can slide easily relative to each other, resulting in great mechanical fragility.
  • These self-assembled materials are formed of diblocks or triblocks in which at least one block is rigid.
  • the molecules combine in "bouquets" which then arrange tail against head and are found stacked parallel and oriented in the same direction. Films of a few hundred layers were thus obtained with a polar arrangement, but their coefficient ⁇ (2) (second-order nonlinear electrical susceptibility) remains low. Moreover, their chemical synthesis is very heavy, which excludes any industrial use. Finally, experience shows that these materials can hardly accommodate hyperpolarizable groups capable of greatly modifying their coefficient ⁇ (2) .
  • the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks of the prior art and to provide self-assembled materials based on polymers or oligomers, having a lamellar structure with a uniform non-centro-symmetric order on a macroscopic scale, which are very stable from both a mechanical and thermodynamic point of view.
  • a material having a macroscopic structure of lamellar and non-centro-symmetrical type consisting essentially of a mixture of at least two block copolymers or co-oligomers, each consisting of a chain at least two polymer or oligomeric blocks, characterized in that each molecule of said copolymers or co-oligomers is bonded to adjacent molecules (and especially to the majority of adjacent molecules) by interactions involving at least two mutually immiscible blocks belonging to its chain and two blocks compatible one by one with the first said blocks and incompatible with each other along the chain of each said adjacent molecule.
  • Macroscopic structure is understood to mean a substantially homogeneous structure, apart from possible point defects, in a volume of at least 1 pm 3 , preferably of at least 1000 pm 3 and more preferably of at least 1 mm 3. or, in the case of a thin-layer material (with a thickness of less than or equal to 1 ⁇ m) over an area of at least 1 ⁇ m 2 , preferably at least 100 ⁇ m 2 and more preferably at least 1 mm 2 .
  • each molecule of said copolymers or co-oligomers may be bonded to each adjacent molecule in all directions of the material, except for the direction perpendicular to the lamellae, by interactions involving at least two immiscible blocks between them belonging to its chain and two blocks compatible one by one with the first said blocks and incompatible with each other along the chain of each said adjacent molecule.
  • Said copolymers or co-oligomers may have a linear or comb chain.
  • Said material may consist essentially of a mixture of M-indexed block copolymers or co-oligomers, each constituted by a linear chain of P (m) polymeric or oligomeric blocks chosen from N elementary units, with N> 3, P (m)> 2 and M> 2, the adjacent elementary patterns in each linear chain being chosen immiscible with each other.
  • Each said linear chain of polymer or oligomeric blocks may constitute a portion of length P (m)> 2 of a sequence obtained by periodic repetition of an ordered set of said elementary patterns. More particularly, said material may consist essentially of a mixture of 3 block copolymers or co-oligomers, each consisting of a linear chain of 3 polymer or oligomeric blocks chosen from 3 elementary units, the adjacent elementary units in each linear chain being chosen immiscible between them.
  • Said material may be formed by a stack of lamellae, each of said lamellae being formed of a single chemical species constituting a said block, or chemical species forming compatible blocks, the chains of said polymers or oligomers having an orientation generally perpendicular to said lamellae.
  • Said copolymers or co-oligomers may be mixed in substantially equal molar proportions.
  • Said copolymers or co-oligomers may have substantially identical lengths.
  • the identical or compatible blocks belonging to different copolymers or co-oligomers may have substantially identical lengths.
  • Each of said copolymers or co-oligomers may have two end blocks and one or more so-called central blocks included between said end blocks; at least one central block of a said copolymer or co-oligomer may be compatible with at least two end blocks of other said copolymers or co-oligomers, said end blocks having different nearest neighbors, and wherein said central block has a length substantially equal to the sum of the end blocks of the other said copolymers or co-oligomers.
  • the constituent blocks of said copolymers or co-oligomers may themselves consist of organic molecules, mesogenic blocks, organometallic molecules, nucleotides, amino acids or saccharides.
  • Another object of the invention is a nanocomposite material comprising a matrix consisting of a non-centro-symmetrical lamellar structure material having a structure as described above and polar or polarizable insertions.
  • the volume fraction of said insertions may be less than or equal to 50%, preferably less than or equal to 30%, more preferably less than or equal to 10%; way again preferred preferably less than or equal to 5%; more preferably still less than or equal to 1%.
  • Said insertions may comprise Janus nanoparticles having chemically different first and second sides, said particles being disposed at interfaces between two lamellae compatible with said first and second sides, respectively.
  • said insertions may comprise molecules formed by two of said blocks constituting said copolymers or co-oligomers, disposed at interfaces between two lamellae each of which is compatible with one of said two blocks.
  • Said insertions may also comprise linear chains having two ends formed by two of said blocks constituting said copolymers or co-oligomers, disposed at interfaces between two lamellae each of which is compatible with one of said two blocks, and a central portion incompatible with both said ends.
  • Said insertions may also comprise molecules grafted between said two blocks of said copolymers or co-oligomers or between the two sides of said Janus nanoparticles.
  • Said insertions may have a dipole moment electrical and / or permanent magnetic.
  • Said insertions may have an electrical, magnetic or optical susceptibility, linear or non-linear, at least 10 times greater than that of said copolymers or oligomers.
  • Polymer means a molecule, generally organic (but not necessarily: there are also mineral polymers, such as silicones) consisting of a sequence - possibly branched - of a large number (indicatively, 15 or more ) of simpler molecules, called monomers, linked together by covalent bonds. More specifically, we speak of “homopolymer” when the monomers are identical to each other and “copolymer” when the monomers are different from each other. The monomers can in turn be macromolecules of complex structure, or even polymers or nanoparticles.
  • polymer includes biological macromolecules such as polynucleotides and polypeptides.
  • Oligomer includes biological macromolecules such as oligonucleotides and olygopeptides.
  • polymer also includes the so-called “mesogenic” blocks ... found in smectic liquid crystals and in so-called “linear polyphile” molecules. For examples of syntheses of polyphile molecules, reference may be made to the following references:
  • synthesized block examples are mainly short fluorinated aliphatic chains (32, 33 and 34), hydrophobic hydrocarbon chains (32, 33 and 34), and hydrophilic oligo- ethylene glycol chains (33), but also cyanobiphenyl rigid groups (34), but may also be oligo-dimethylsiloxane (o-DMS) chains as in the following reference:
  • These mesogenic co-oligomers are particularly interesting because of their ferroelectric properties and their short tipping time, which makes them suitable for liquid crystal display applications.
  • Block linear copolymer or co-oligomer or “block copolymer or co-oligomer”, is understood to mean a copolymer or oligomer formed by two or more elementary units, referred to as blocks, bonded together in a linear chain by bonds. covalent. Blocks are conventionally represented by capital letters ("A”, “B” %), or lowercase letters (“a”, “b”). Blocks can for example be homopolymers or copolymers or homo- or co-oligomers linear or not.
  • the length of a polymer, of an oligomer or more generally of the elementary unit of a linear block copolymer / co-oligomer is a concept that is difficult to define, because it is measured in different units according to the context: monomer, length of persistence, or unit of length, the first two varying between blocks of different chemical species.
  • monomer, length of persistence, or unit of length the first two varying between blocks of different chemical species.
  • polymers always have a statistical distribution of their length; therefore, when two polymers are said to have a "same" length, it means that the difference between their physical lengths is small relative to the standard deviation of their statistical distribution, and preferably not more than 30%, and preferably not more than 10%.
  • This dispersion is characterized by the polydispersity index Ip which is the ratio of the weight average Mw of the molar masses present in the mixture and their number average Mn.
  • “family of chemical species” means a set of compatible chemical species, that is to say not exhibiting spontaneous demixing when they are mixed in the form of homopolymers of the same length.
  • two elementary motifs belonging to the same family of chemical species will be represented by the same capital letter ("A", “B” ...) or lower case letter ("a”, “b"), to indicate qualitatively a difference in chain length on the assumption that these elementary units would in turn be polymers or oligomers.
  • Two chemical species are said to be immiscible when they tend to separate after being mixed. This is called demixtion.
  • two polymers or oligomers are considered immiscible when their Flory para cast interaction parameter takes a value greater than zero, and preferably greater than or equal to 10 -2 . Two different polymers are, most often, immiscible. If two chemical species are not immiscible, they are said to be compatible. By extension, we speak of compatible blocks or lamellae to indicate that they consist of compatible chemical species.
  • the three blocks are immiscible if the product AB z (NA + NB) and the other two analogues are all above 0.5, and preferably greater than 5.
  • the b blocks are immiscible if > 1 and preferably if> 10, where N is the length of the copolymer chain, counted as the number of monomers.
  • Nanoparticle is understood to mean a particle whose diameter, or the main dimension, is substantially less than 1 ⁇ m and preferably less than or equal to 50 nm and preferably less than 15 nm.
  • Affinity refers to the intensity of attractive intermolecular interactions between two chemical species. It can for example be measured in the case of polymers by 1 / ⁇ .
  • Molecule grafted between two blocks means a molecule attached by two irreversible bonds, especially covalent, to two different blocks of the main chain.
  • Imreversible means bonds that do not spontaneously rupture under normal conditions of use or material conservation and at the time scale of its useful life. These are, for example, covalent bonds, hydrogen bonds, ionic bonds, organometallic bonds.
  • the term "essentially constituted" by a substance "A” means that the other components that may be present constitute impurities, or dopants, whose content generally does not exceed 20%, and / or inclusions in a matrix constituted by said substance "A". Some of these components differ from the constituent elements of the lamellar material in that they do not contribute to joining the lamellae together. However, they may be needed to stabilize them by playing the role of "fillers”. This is particularly the case of solvents or homopolymers, even di-blocks acting as co-surfactants.
  • the invention can be generalized to the case of a material formed by an assembly of heterogeneous objects in blocks along an axis, that is to say formed by a series of sections (the blocks).
  • Co-polymers and co-olygomers are special cases of such objects; other examples may be organic or inorganic rods (metal or dielectric), or even viruses.
  • the sections may be of different nature, or have different surface modifications, making them compatible (attractive interactions) or incompatible (repetitive interactions or lack of interactions) between them.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C respectively illustrate the lamellar structure formed by symmetrical diblock copolymers according to the prior art, a theoretical non-symmetrical structure, which is not formed spontaneously by these copolymers, and the structure a hypothetical lack of stacking of the layers of these copolymers, which never seems to be observed in practice;
  • FIG. 2 illustrates the structure of a non-centro-symmetrical material according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows the structure of a defect required for the reversal of the polarity in the material of Figure 2;
  • FIG. 4 very schematically illustrates the structure of a non-centro-symmetrical material according to a second embodiment of the invention;
  • FIG. 5 illustrates, also very schematically, the structure of a non-centro-symmetrical material according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows the structure of a nanocomposite hybrid material constituted by a lamellar matrix, of the type illustrated in FIG. 2, in which oriented inclusions of three different natures are dispersed;
  • Figure 7 illustrates the structure of a non-centrosymmetric material according to a fourth embodiment, consisting of "comb" copolymers.
  • a material according to the invention is much more stable, both chemically and mechanically, than the NCS structures described above. Indeed, the structure of such a material relies entirely on dipolar interactions between parallel chemical dipoles, similar to the interactions between two adjacent molecules in the membrane of a diblock.
  • an ABC molecule can associate with a CAB molecule by their common dipole AB. The relative directions of the two molecules are then linked. In a lamellar building, these molecules can not be at the same level. The lamellae are therefore connected together and we can therefore speak of "dipolar interpenetration".
  • this association of parallel chemical dipoles can itself be described as "ferrochemical”.
  • a first example of a ferrochemical material illustrated in FIG. 2, consists of a mixture in (substantially) equal proportions of three triblocks.
  • the composition of each tri-block is obtained by circular permutation of three immiscible species A, B and C.
  • the extreme blocks are twice as short as the central blocks; for this reason, the three triblocks are designated by aBc, bCa, cAb.
  • the molecules can only arrange as illustrated in FIG.
  • a / a polyisoprene (or oligo-isoprene);
  • B / b poly-butadiene (or oligo-butadiene);
  • C / c poly-styrene (or oligo-styrene).
  • copolymers polyisoprene-poly-butadiene-polystyrene n; (poly-butadiene-poly-styrene-poly-isoprene) n and (poly-styrene-poly-isoprene-poly-butadiene) n are known from the prior art:
  • a second concrete example of material of this type corresponds to the following choice:
  • a / a poly (2-vinylpyridine) (or oligo- (2-vinylpyridine));
  • B / b poly-butadiene (or oligo-butadiene);
  • C / c poly-styrene (or oligo-styrene).
  • the three copolymers (poly- (2-vinylpyridine) -poly-butadiene-poly-styrene) n; (poly-butadiene-poly-styrene-poly- (2-vinylpyridine)) n and (polystyrene-poly- (2-vinylpyridine) -poly-butadiene) n are known from the prior art:
  • a third concrete example of material of this type corresponds to the following choice:
  • a / a Poly-styrene or oligostyrene
  • B / b Polyisoprene or oligo-isoprene
  • C / c polycyclohexadiene (or oligocyclohexadiene).
  • the three copolymers (polystyrene-poly-isoprene-polycyclohexadiene) n ; (Poly-cyclohexadiene-poly-styrene-poly-isoprene) n and (polyisoprene-poly-cyclohexadiene-polystyrene) n are known from the prior art: 40) Xiaojun Wang, Jianfeng Xia, Junpo He, Yu Fengping, Li Ang, Jiangtao Xu, Hongbin Lu, and Yuliang Yang Macro molecules 2006, 39, 6898-6904.
  • a fourth concrete example of material of this type corresponds to the following choice:
  • a / a Poly-methylmethacrylate (or oligomethylmethacrylate);
  • B / b Poly [hexa (ethylene glycol) methacrylate] (or oligo- [hexa (ethylene glycol) methacrylate]);
  • C / c poly- [2- (dimethylamino) ethyl methacrylate] (or oligo- [2- (dimethylamino) ethyl methacrylate]).
  • the three copolymers (poly-methyl methacrylate - poly- [hexa (ethylene glycol) methacrylate] - poly- [2- (dimethylamino) ethyl methacrylate]) n ; (poly- [2- (dimethylamino) ethyl methacrylate] - poly-methylmethacrylate - poly- [hexa (ethylene glycol) methacrylate])) n and (poly- [hexa (ethylene glycol) methacrylate] - poly- [2- (dimethylamino) ethyl methacrylate] - poly (methylmethacrylate) n are known from the prior art:
  • a fifth concrete example of material of this type corresponds to the following choice:
  • a / a poly-styrene (or oligostyrene);
  • B / b poly (D, L-lactide) (or oligo- [(D, L-lactide));
  • C / c Polyisoprene or oligo-isoprene.
  • the three copolymers (poly-styrene-poly (D, L-lactide) -polyisoprene) n ; (Poly-isoprene-poly-styrene-poly (D, L-lactide)) n and (poly (D, L-lactide) -poly-isoprene-poly-styrene) n are known from the prior art:
  • the copolymers can be mixed in powder form; then, the mixture of powders can be melted, allowed to stabilize and finally solidified by cooling. Alternatively, the melt can be replaced by, or combined with, solubilization by means of a solvent, which is then evaporated to restore the solid material.
  • each domain can be seen as an asymmetric bilayer filled to 50% of similar "transmembrane" central blocks.
  • the structure can be seen as a juxtaposition of cyclic linear arrangements of chains of molecules aBc / cAb / bCa / aBc / cAb / bCa ... staggered with respect to each other by half a period, like are rows of bricks in a wall. Since each molecule plays the role of a staple for neighboring molecules, this The structure has a considerably higher shear strength than conventional lamellar structures.
  • the only competitive symmetric structure corresponds to a demixed state in which each species forms a mono-domain. From a dynamic point of view, considering that the ordering of the lamellar edifice occurs by propagation of a local order, it is almost impossible that such demixing can occur from a homogeneous mixture of the three species . Moreover, from a static point of view, the configuration of the strings in each mono-domain is identical to its configuration in the mixture since the constraints are the same. The enthalpy of the mixture and the demixed state are therefore identical. On the other hand, the entropy of the mixture is greater than that of the demixed state, so that in total the free energy of the demixed system is greater than that of the mixture. The proposed NCS structure is therefore particularly stable.
  • the structure of the interface between the ferrochemical material and a solid plane is also given in FIG. 3, in which only one of the two symmetrical parts must be considered, the dotted axis now representing the solid surface.
  • This structure corresponds to a homeotropic anchoring of the material.
  • the term "homeotropic” recalls that the ferrochemical structure, when it is liquid, is that of a smectic, and more specifically of a smectic A, the molecules being substantially perpendicular to the lamellae.
  • the polar (i.e., non-centro-symmetric) smectic order is new.
  • composition of the "ferrochemical" material of FIG. 2 can be generalized.
  • the proportions of these copolymers or oligomers should ideally be equal, with a tolerance of ⁇ 10% or better, ⁇ 2%, but this is not essential.
  • the blocks indicated by the same letter (“A / a", "B / b” ”) do not necessarily consist of the same chemical species; it is sufficient that they are compatible blocks, in the sense indicated above. This is important, for example, in the case where the elementary units or blocks are constituted by polymers or, more generally, by macromolecules: it is known that, in these cases, the replacement of certain groups by others may only slightly affect the physical and / or chemical properties of the molecule.
  • the polydispersity index Ip may be less than or equal to 1.7; preferably less than or equal to 1, 4; preferably less than or equal to 1.1; more preferably less than or equal to 1.05.
  • FIG. 4 very schematically shows a ferrochemical material consisting of a mixture in equal proportions of three triblocks with blocks of the same length.
  • Figure 6 shows the structure obtained from a mixture of two complementary tetra-blocks: ABCD and CDAB. These two buildings are less harmonious than the previous one because the extreme blocks contribute to the creation of interfaces between immiscible species.
  • the ferrochemical materials can serve as matrices for producing nanocomposite materials having electrically and / or magnetically polar or hyperpolarizable inclusions.
  • Figure 6 shows how, on the contrary, polar or polarizable inserts can be oriented equilibrium by a ferrochemical matrix.
  • a di-block DB consisting of two of the three species present in the matrix and carrying an electric or magnetic dipole, or a highly polarizable group, is positioned astride the interface between two lamellae.
  • the insert consists of an NP nanoparticle whose two hemispheres are lined with two different functional groups, FB, FC having a preferential affinity with the chemical species B and C, respectively ("Janus grains"); it should be noted that, in this case, the nanoparticles are localized at the interfaces, and not at the heart of the lamellae, as is often the case with isotropic nanoparticles, and their orientation is forced "chemically" by the matrix. See about it:
  • the hyperpolarizable dipole or group P is chemically "bridged" between two adjacent blocks of a copolymer component of the mixture.
  • the insertion is in the form of a linear chain having two ends formed by two of the blocks constituting said copolymers or co-oligomers (A and B), arranged at interfaces between two lamellae each of which is compatible with one of said two blocks, and a PC central part incompatible with the two said ends and which, because of its incompatibility, is presented in the form of ball or drop.
  • the central portion may be or include a block, a block chain, one or more nanoparticles.
  • FIG. 7 shows the structure of a material according to a fourth embodiment of the invention, obtained by mixing, in identical or similar molar proportions, three "comb" copolymers, constituted respectively:
  • a material according to the invention can be obtained by mixing in solution of three populations of solid objects, possibly flexible, for example rods, in equal proportions.
  • Each object may be organic, dielectric (for example silica) or metallic (for example gold or silver), or semiconductor, or made of a synthetic or natural rigid polymer (for example xanthan or tobacco virus). It consists of several sections (for example three), whose compatibility or incompatibility is controlled by acting on their composition (in volume) or on their surface properties, for example using techniques ion implantation or irradiation by electron beams or by cold plasma techniques, or by selective grafting or adsorption techniques of short molecules on their surface after reversible deposition on a support or microreactor. These techniques can be applied to objects deposited for this purpose reversibly on a support.
  • the populations of sticks are each obtained by a permutation of the sections (for example: ABC, BCA or CAB), and when their diameter is identical, the lengths of the sections satisfy (in the preferred case of three sections):
  • the total length of the rod-shaped objects may be less than or equal to 1 mm; preferably at 100 pm or even 10 pm.

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Abstract

Matériau présentant une structure macroscopique de type lamellaire et non centro-symétrique, essentiellement constitué par un mélange d'au moins deux populations d'objets hétérogènes par blocs le long d'un axe, constitués chacun d'au moins deux blocs, caractérisé en ce que chacun desdits objets est lié à des objets adjacents par des interactions impliquant au moins deux blocs incompatibles entre eux dudit objet et deux blocs compatibles un à un avec les premiers dits blocs et incompatibles entre eux le long de la chaîne de chaque dit objet adjacent. Les objets peuvent notamment être des co-polymères ou co- oligomères à blocs.

Description

MATERIAU AUTO-ASSEMBLE, NOTAMMENT A BASE DE POLYMERES OU D'OLIGOMERES, PRESENTANT UNE STRUCTURE LAMELLAIRE NON
CENTRO-SYMETRIQUE
L'invention porte sur un matériau auto-assemblé, notamment à base de polymères ou oligomères, présentant une structure lamellaire avec un ordre non centro-symétrique.
Les édifices auto-assemblés jouent un rôle important dans le développement de nouveaux matériaux nano-structurés. Parmi eux, les plus simples, les mieux organisés et les plus robustes sont certainement ceux que forment spontanément les copolymères à blocs, car ils adoptent au cours de simples opérations de recuit à des températures de l'ordre de 150 °C des structures composites périodiques particulièrement régulières de lamelles, de cylindres ou de sphères qui perdurent à l'état solide quand on les refroidit à la température ordinaire. Les mécanismes qui sous-tendent cet auto-assemblage sont largement indépendants de la nature chimique exacte des copolymères et le pas de la structure peut être ajusté entre typiquement 5 et 100 nm en jouant seulement sur la longueur des blocs. Le nombre des applications des copolymères à blocs, utilisés purs ou mélangés avec des homopolymères ou avec des solvants, est immense et, qu'il s'agisse d'agents compatibilisants pour les matériaux élastomères, de matériaux biocompatibles, de plastiques ultra-résistants, d'adhésifs, de techniques de fabrication en microélectronique ou dans les micro et nano-technologies, de fabrication de matériaux nanoporeux ou nanostructurés (stockage d'hydrogène, catalyse, cristaux photoniques, etc.), leur variété chimique est très importante.
On peut citer à titre d'exemple les articles de revue suivants :
1 ) Anne-Valérie Ruzette et Luwik Leibler, Nature Materials 4 pp 19- 31 (2005) « Block copolymers in tomorrow's plastics » ;
2) Ludwik Leibler, Prog. Polym. Sci. 30 (2005) 898-914 « Nanostructured plastics : Joys of self-assembling » ;
3) Cheolmin Park, Jongseung Yoon, Edwin L. Thomas Polymer 44 (2003) 6725-6760 « Enabling nanotechnology with self-assembled block copolymer patterns » ;
4) Léonard Pinchuk, Gregory J. Wilson, James J. Barry, Richard T. Schoephoerster, Jean-Marie Parel, Joseph P. Kennedy Biomaterials 29 (2008); 5) Sang Ouk Kim, Harun H. Solak, Mark P. Stoykovich, Nicola J. Ferrier, Juan J. de Pablo et Paul F. Nealey Nature 424 (2003) 41 1-414 ;
6) Massimo Lazzari et M. Arturo Lopez-Quintela Advanced Materials 15 (19) 1583-1594 (2003) « Block Copolymers as a Tool for Nanomaterial Fabrication » ;
7) Costantino Creton, Guangjun Hu, Fanny Déplace, Leslie Morgret et Kenneth R. Shull Macromolecules 42 (2009) 7605-7615 ;
8) Yu-Chih Tseng et Seth B. Darling Polymers 2010, 2, 470-489 « Block Copolymer Nanostructures for Technology » ;
9) Ho-Cheol Kim, Sang-Min Park et William D. Hinsberg Chem. Rev. 110, pp 146-177 « Block Copolymer Based Nanostructures: Materials, Processes, et Applications to Electronics » ;
10) Ho, Fan, Tseng, Chiang, Lin, Ko, Huang, Shih et Chen, patent US 7,632,544 B2 (2009) « Nanopattemed templates from oriented degradable diblock copolymer thin films » ;
1 1 ) Nikos Hadjichristidis, Hermis latrou, Marinos Pitsikalis, Stergios Pispas, Apostolos Avgeropoulos « Linear et non-linear triblock terpolymers. Synthesis, self-assembly in sélective solvents et in bulk » Prog. Polym. Sci. 30 (2005) 725-782.
Les figures 1A - 1 C illustrent les différentes structures lamellaires,connues de l'art antérieur, qui peuvent être formées par un copolymère dibloc AB. On supposera dans la description de principe que les deux blocs sont immiscibles, ce qui est le plus souvent le cas avec deux polymères de nature chimique différente, et qu'ils ont même longueur et même volume. L'énergie libre F par chaîne de ce système, dont le minimum décrit la configuration d'équilibre, s'écrit comme la somme de deux termes : F = YAB +Fei. Voir à ce propos:
12) Alexander, S. J. Phys. (Paris) 38, (1977) p 983 ;
13) de Gennes, P. G. Macromolecules 13, (1980) p. 1069;
14) Abetz, V.; Stadler, R.; Leibler, L. Polym. Bull. 37 (1996) p 135;
15) Birshtein, T. M.; Polotsky, A. A.; Amoskov, V. M. Macromol. Symp. 146 (1999) p. 215;
16) Semenov, A. N.; Rubinstein, M. Macromolecules 1998, 31 , 1373; 17) i. Ya. Erukhimovich, M. V. Belousov, E. N. Govorun, V. Abetz, et M. V. Tamm « Non-Centrosymmetric Lamellar Structures in the Associating Blends of Tri- et Diblock Copolymers », Macromolecules 43 (20 0) pp 3465-3478 ;
18) Semenov, A. N. 1985. Soviet Phys. JETP 61 :733;
19) Milner, S. T., Witten, T. A., Cates, M. E. 1988. Europhys. Lett.
5:413;
20) Milner, S. T., Witten, T. A., Cates 1988. Macromolecules
21 :2610;
21 ) Milner, S. T., Witten, T. A., Cates, M. E. 1988. Macromolecules 22:853 ;
22) Milner, S. T., Witten, T. A. 1988. J. Phys. Paris 19:1951
23) YANG Yuliang, QIU Feng, TANG Ping & ZHANG Hongdong Science in China: Séries B Chemistry (2006) Vol.49 No.1 21—43
24) M.W. Matsen et F. S. Bâtes « Unifying strong- et weak- segregation block copolymer théories », Research Report UMSI 95/164 (1995)
25) M.W. Matsen et M. Schick Phys. Rev. Letters 72 (16) pp 2660-
2663 (1994)].
Le premier terme représente l'énergie de contact entre A et B, c'est- à-dire le produit de leur tension interfaciale et de la surface de contact par chaîne. Il diminue lorsque les chaînes s'étirent perpendiculairement aux lamelles, et cet étirement se traduit par la présence du deuxième terme qui décrit une énergie élastique. A l'équilibre, ces deux termes respectent la règle d'équipartition dans les trois directions de l'espace. Ils représentent respectivement 2/3 et 1/3 de l'énergie totale, qui s'écrit donc F = (3/2) γΑΒ∑- En divisant l'énergie par chaîne par le volume moléculaire∑1 , * désignant la hauteur d'une molécule, on obtient une expression particulièrement simple de la densité volumique d'énergie du matériau, qui est . Elle montre que cette densité est simplement proportionnelle au nombre d'interfaces par unité de longueur selon z, z étant un axe normal aux lamelles. Afin de former aussi peu d'interfaces AB que possible, l'ordre lamellaire est périodique et constitué de bicouches. Il s'écrit AB/BA/AB/BA ... Cette structure, illustrée sur la figure 1A, est symétrique. Son énergie est presque deux fois plus faible que l'ordre non symétrique concurrent AB/AB/AB/AB, représenté sur la figure 1 B, puisqu'il contient presque deux fois moins d'interfaces AB par unité de volume (« presque » seulement, parce que l'épaisseur d'équilibre des lamelles est plus grande, ce qui n'est pas pris en compte sur les figures). Et en effet, cet ordre non centro-symétrique n'est jamais observé en pratique.
La figure 1C illustre un défaut d'empilement dans la structure symétrique de la figure 1A. Des défauts de ce type présentent une énergie trop élevée pour être stables, ce qui explique la non-existence en pratique de la structure non-centrosymétrique de la figure 1 B.
Dans les figures, les références 1 et l' indiquent des représentations « réalistes », dans lesquelles les di-blocs sont représentés sous la forme de chaînes linéaires enchevêtrées, tandis que les références 2, 2' et 2" indiquent des représentations plus schématiques.
D'une façon plus générale, les copolymères séquencés à blocs s'organisent selon la règle suivante : deux séquences chimiquement semblables (dite simplement « semblables ») tendent à se rassembler et deux séquences chimiquement différentes tendent à se séparer. L'association de séquences semblables se fait à la fois latéralement (par enchevêtrement de blocs voisins semblables) et longitudinalement (par interpénétration de blocs extrêmes semblables) ; voir
26) F. S. Bâtes et G. H. Fredrickson, « Block Copolymer Thermodynamics - Theory et Experiment », Annual Review of Physical Chemistry 41 , p. 525 (1990).
A l'intérieur d'une bicouche, les blocs semblables A et B des molécules au contact sont assemblés. Dans la suite, on appellera « interaction dipolaire chimique » cette double association de molécules par les deux blocs A et B.
On remarquera que les bicouches élémentaires sont déconnectées les unes des autres, ce qui se traduit par une faible résistance du matériau au cisaillement.
Comme expliqué ci-dessus, pour des raisons énergétiques ces matériaux forment presque exclusivement des structures auto-assemblées centro- symétriques. Or, des nombreuses applications de grand intérêt technologique exigent des structures non centra-symétriques (NCS), qui permettent d'obtenir des matériaux présentant une réponse optique non-linéaire du deuxième ordre (pour la réalisation de composants pour les télécommunications optiques et l'optique intégrée), des propriétés piézoélectriques (pour des capteurs ou actionneurs), des propriétés pyroélectriques (pour des détecteurs), un comportement ferromagnétique ou ferroélectrique, etc.
C'est pourquoi un effort tout particulier est engagé depuis une vingtaine d'années pour tenter d'obtenir des matériaux auto-assemblés à base de copolymères présentant un ordre non centro-symétrique, et cela notamment dans des structures lamellaires où cet ordre s'exprime simplement par une absence de symétrie par rapport aux directions +z et - z.
La première structure NCS d'un matériau formé de copolymères à blocs est due à Goldacker et al.
27) Thorsten Glacer, Volker Abetz, Reimund Stadler, Igor Erukhimovich, Ludwik Leible « Non-centrosymmetric superlattices in block copolymer blends » Nature 398 (1999) pp 137-139).
Elle est composée d'un mélange d'un tri-bloc ABC et d'un di-bloc ac, les petites lettres représentant des blocs nettement plus courts que les grandes. L'ordre NCS repose sur les propriétés suivantes :
La tension interfaciale entre deux espèces semblables ( YAA , YBB ), qui peut être négative, présente en tout cas un module très faible par rapport à la tension interfaciale - positive - entre deux espèces immiscibles( YA ... ).
La tension interfaciale d'interpénétration entre blocs chimiquement semblables et de longueurs différentes (comme FA» et FB¾ ) est algébriquement inférieure (en valeur algébrique) à la tension d'interpénétration entre blocs semblables et de même longueur ( YAA , YBB ).
Pour simplifier, dans la suite on posera Ym= YA£= YMC≡ Y .
En raison de ces propriétés, l'empilement ABC/ca/ABC/ca... est légèrement favorisé, sur le plan énergétique, par rapport à l'empilement ABC/CBA /ac/ca/ABC/CBA/ac/ca...ou à tout autre empilement comprenant des bicouches, et la structure NCS est présente de façon majoritaire. Dans ces matériaux, l'ordre NCS repose donc sur une très légère préférence, ce qui fait que l'ordre centro-symétrique est aussi présent dans une proportion non négligeable. De plus, l'intercalation d'une simple bicouche telle que ca/ac dans la structure suffit à retourner l'ordre ABC en CBA par une séquence ABC/ca/ac/CBA. Ce défaut d'empilement ne nécessite aucune interface entre espèces immiscibles supplémentaire. L'énergie associée est très faible et le défaut est fréquent. Il en résulte des matériaux constitués par des domaines microscopiques de structure aussi bien centro-symétrique que non centro- symétrique, dans lesquels, de plus, les régions non-centro-symétriques présentent de fréquents retournements de polarité. Cette solution n'est donc pas facilement applicable à la fabrication d'échantillons NCS mono-domaines de taille macroscopique (dimensions supérieures ou égale à 1 mm).
Une variante de ce matériau a été proposée récemment dans un travail théorique par Erukimovich et al. (référence 17 précitée). Elle consiste à fixer les associations entre blocs longs et courts tels que A et a par des groupes donneur- accepteur rapportés aux extrémités de chaînes. Cette variante est plus compliquée d'un point de vue chimique. Elle est aussi difficile à mettre en œuvre car la rencontre entre deux extrémités complémentaires est très peu probable. Enfin, cette solution ne permet que de fixer la structure auto-assemblée qui s'est préalablement formée, et qui, comme nous l'avons expliqué précédemment, contient de nombreux défauts.
Un autre exemple de matériau préférentiellement non centro- symétrique a été obtenu par Takano et al. :
28) A. Takano, K. Soga, J. Suzuki, et Y. Matsushita « Noncentrosymmetric Structure from a Tetrablock Quarterpolymer of the ABCA Type » Macromolecules 36 (2003) pp 9288-9291.
Le matériau est pur et constitué de tetrablocs ABCA, avec deux blocs A de même longueur. Il s'arrange préférentiellement suivant la séquence lamellaire ABCA/ABCA/ABCA... plutôt que selon ABCA/ACBA/ABCA.... La raison en est une légère dissymétrie entre les longueurs des blocs B et C qui conduisent les extrémités A à adopter des taux d'étirement différents, se comportant alors comme s'ils avaient des longueurs différentes. Le mécanisme est donc très proche de celui de l'exemple précédent. Là encore, il existe des ordres concurrents symétriques et la préférence pour l'ordre non centro-symétrique reste très faible.
Un autre exemple a été obtenu par Abetz et Goldacker avec un mélange de deux triblocs identiques en composition mais possédant des blocs centraux de longueur inégale. Dans cet exemple, l'interpénétration est monopolaire (des molécules adjacentes dans le matériau sont liées entre elles par des interactions entre un bloc seulement de chaque dite molécule) et le matériau est plein de défauts et fragile : 29) Volker Abetz, Thorsten Goldacker Macromol. Rapid Commun. 21 , 16-34 (2000).
Les mêmes auteurs dans le même article ont aussi rapporté qu'un mélange à parts égales de deux tri-blocs ABC et BAC présente un mélange de régions symétriques et non symétriques, avec là encore beaucoup de défauts.
Aussi, dans ces quatre exemples, les couches sont encore déconnectées et peuvent glisser facilement les unes par rapport aux autres, d'où une grande fragilité mécanique.
Encore un autre exemple de matériau préférentiellement non centro-symétrique a été donné par Stupp et collaborateurs :
30) S.l. Stupp, V. LeBonheur, K. Walker, L.S. Li, M. Keser et A. Amstutz Science 276 (1997) p. 384;
31 ) Leiming Li et Samuel I. Stupp Applied Physics Letters 78 (26) pp. 4127-4129 (2001 ).
Ces matériaux auto-assemblés sont formés de di-blocs ou tri-blocs dans lesquels un bloc au moins est rigide. Les molécules s'associent en « bouquets » qui s'arrangent ensuite queue contre tête et se retrouvent empilés parallèles et orientés dans la même direction. Des films de quelques centaines de couches ont été ainsi obtenus avec un arrangement polaire, mais leur coefficient χ(2) (susceptibilité électrique non linéaire du deuxième ordre) reste faible. Par ailleurs, leur synthèse chimique est très lourde, ce qui exclut toute utilisation industrielle. Enfin, l'expérience montre que ces matériaux peuvent difficilement accueillir des groupes hyperpolarisables capables de modifier fortement leur coefficient χ(2).
L'invention vise à surmonter les inconvénients précités de l'art antérieur et à procurer des matériaux auto-assemblés à base de polymères ou oligomères, présentant une structure lamellaire avec un ordre non centro-symétrique uniforme à l'échelle macroscopique, qui soient très stables tant d'un point de vue mécanique que thermodynamique.
Conformément à l'invention un tel but est atteint par un matériau présentant une structure macroscopique de type lamellaire et non centro-symétrique, essentiellement constitué par un mélange d'au moins deux copolymères ou co- oligomères à blocs, constitués chacun d'une chaîne d'au moins deux blocs polymères ou oligomères, caractérisé en ce que chaque molécule desdits copolymères ou co-oligomères est liée à des molécules adjacentes (et notamment à la majorité des molécules adjacentes) par des interactions impliquant au moins deux blocs immiscibles entre eux appartenant à sa chaîne et deux blocs compatibles un à un avec les premiers dits blocs et incompatibles entre eux le long de la chaîne de chaque dite molécule adjacente.
On entend par « structure macroscopique » une structure sensiblement homogène, hormis des défauts ponctuels éventuels, dans un volume d'au moins 1 pm3, de préférence d'au moins 1000 pm3 et de manière encore préférée d'au moins 1 mm3 ou bien, dans le cas d'un matériau en couche mince (d'épaisseur inférieure ou égale à 1 pm) sur une surface d'au moins 1 pm2, de préférence d'au moins 100 pm2 et de manière encore préférée d'au moins 1 mm2.
Dans l'article précité de Volker Abetz et Thorsten Goldacker (référence 29) est décrit un matériau constitué d'un mélange à parts égales de deux tri-blocs ABC et BAC, dont la structure - formée par des lamelles très déformées - présente une alternance de domaines centro-symétriques et non-centrosymétriques dont la taille est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Dans ces conditions, on ne peut pas parler d'une structure macroscopique de type lamellaire et non centra-symétrique au sens de l'invention.
Selon différents modes de réalisations de l'invention :
Dans ledit matériau à structure lamellaire non centra-symétrique chaque molécule desdits copolymères ou co-oligomères peut être liée à chaque molécule adjacente dans toutes les directions du matériau, à l'exception de la direction perpendiculaire aux lamelles, par des interactions impliquant au moins deux blocs immiscibles entre eux appartenant à sa chaîne et deux blocs compatibles un à un avec les premiers dits blocs et incompatibles entre eux le long de la chaîne de chaque dite molécule adjacente.
Lesdits copolymères ou co-oligomères peuvent présenter une chaîne linéaire ou en peigne.
Ledit matériau peut être essentiellement constitué par un mélange de M copolymères ou co-oligomères à blocs, indexés par m, constitués chacun d'une chaîne linéaire de P(m) blocs polymères ou oligomères choisis parmi N motifs élémentaires, avec N>3, P(m) >2 et M>2, les motifs élémentaires adjacents dans chaque chaîne linéaire étant choisis immiscibles entre eux.
Chaque dite chaîne linéaire de blocs polymères ou oligomères peut constituer une portion de longueur P(m)>2 d'une séquence obtenue par répétition périodique d'un ensemble ordonné desdits motifs élémentaires. Plus particulièrement, ledit matériau peut être essentiellement constitué par un mélange de 3 copolymères ou co-oligomères à blocs, constitués chacun d'une chaîne linéaire de 3 blocs polymères ou oligomères choisis parmi 3 motifs élémentaires, les motifs élémentaires adjacents dans chaque chaîne linéaire étant choisis immiscibles entre eux.
Ledit matériau peut être formé par un empilement de lamelles, chacune desdites lamelles étant formée d'une seule espèce chimique constituant un dit bloc, ou bien d'espèces chimiques formant des blocs compatibles, les chaînes desdits polymères ou oligomères présentant une orientation généralement perpendiculaire auxdites lamelles.
Lesdits copolymères ou co-oligomères peuvent être mélangés en proportions molaires sensiblement égales.
Lesdits copolymères ou co-oligomères peuvent présenter des longueurs sensiblement identiques.
Les blocs identiques ou compatibles entre eux appartenant à différents copolymères ou co-oligomères peuvent présenter des longueurs sensiblement identiques.
Chacun desdits copolymères ou co-oligomères peut présenter deux blocs d'extrémité et un ou plusieurs blocs dits centraux compris entre lesdits blocs d'extrémité ; au moins un bloc central d'un dit copolymère ou co-oligomère peut être compatible avec au moins deux blocs d'extrémité d'autres dits copolymères ou co-oligomères, lesdits blocs d'extrémité présentant des plus proches voisins différents, et dans lequel ledit bloc central présente une longueur sensiblement égale à la somme des blocs d'extrémité des autres dits copolymères ou co-oligomères.
Les blocs constitutifs desdits copolymères ou co-oligomères peuvent être eux-mêmes constitués de molécules organiques, de blocs mésogènes, de molécules organométalliques, de nucléotides, d'acides aminés ou de saccharides.
Un autre objet de l'invention est un matériau nanocomposite comprenant une matrice constituée par un matériau à structure lamellaire non centro-symétrique présentant une structure telle que décrite ci-dessus et des insertions polaires ou polarisables. La fraction volumique desdites insertions peut être inférieure ou égale à 50%, de préférence inférieure ou égale à 30%, de manière encore préférée de préférence inférieure ou égale à 10% ; de manière encore préférée de préférence inférieure ou égale à 5% ; de manière encore préférée de préférence inférieure ou égale à 1 %.
Lesdites insertions peuvent comprendre des nanoparticules Janus présentant un premier et un deuxième côté chimiquement différents, lesdites particules étant disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles compatibles avec lesdits premier et deuxième côté respectivement.
En variante ou en complément, lesdites insertions peuvent comprendre des molécules formées par deux desdits blocs constituant lesdits copolymères ou co-oligomères, disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles dont chacune est compatible avec l'un des deux dits blocs.
Lesdites insertions peuvent comprendre également des chaînes linéaires présentant deux extrémités formées par deux desdits blocs constituant lesdits copolymères ou co-oligomères, disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles dont chacune est compatible avec l'un des deux dits blocs, et une partie centrale incompatible avec les deux dites extrémités.
Lesdites insertions peuvent comprendre également des molécules greffées entre deux dits blocs desdits copolymères ou co-oligomères ou entre les deux côtés desdites nanoparticules Janus.
Lesdites insertions peuvent présenter un moment dipolaire électrique et/ou magnétique permanent.
Lesdites insertions peuvent présenter une susceptibilité électrique, magnétique ou optique, linéaire ou non linéaire, supérieure d'au moins un facteur 10 à celle desdits copolymères ou oligomères.
Certaines notions évoquées ci-dessus méritent d'être précisées :
• On entend par « polymère » une molécule, généralement organique (mais pas nécessairement : il existe aussi des polymères minéraux, tels que les silicones) constituée par un enchaînement - éventuellement ramifié - d'un grand nombre (de manière indicative, 15 ou plus) de molécules plus simples, dites monomères, liées entre elles par des liaisons covalentes. Plus précisément on parle de «homopolymère » lorsque les monomères sont identiques entre eux et de « copolymère » lorsque les monomères sont différents entre eux. Les monomères peuvent à leur tour être des macromolécules de structure complexe, voire même des polymères ou des nanoparticules. L'appellation « polymère » inclut les macromolécules biologiques comme les polynucléotides et les polypeptides. • On entend par « oligomère » une molécule, généralement organique, (mais pas nécessairement, comme pour les polymères) constituée par un enchaînement - éventuellement ramifié - d'un petit nombre (de manière indicative, entre 2 et 14) de molécules plus simples, dites monomères, liées entre elles par des liaisons covalentes. L'appellation « oligomère » inclut les macromolécules biologiques comme les oligonucléotides et les olygopeptides. L'appellation « polymère » inclut aussi les blocs appelés « mésogènes » ...que l'on retrouve dans les cristaux liquides smectiques et dans les molécules dites « polyphiles linéaires ». Pour des exemples de synthèses de molécules polyphiles on peut se rapporter aux références suivantes :
32) Sandrine Pensée, François-Genès Tournilhac, Pierre Bassoul, et Claire Durliat, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 52-60 ;
33) Liliana de Campo, Trond Varslot, Minoo J. Moghaddam, Jacob J. K. Kirkensgaard, Kell Mortensenc et Stephen T. Hyde, publication en ligne http://pubs.rcs.Org / doi:10.1039/C0CP01201G (2010) ;
34) I. Ostrovskii, F. G. Tournilhac, L.M. Blinov et W. Howe J. Phys. Il France 5 (1995) 979-1001 ;
dans lesquelles les exemples de blocs synthétisés sont principalement des courtes chaînes aliphatiques fluorées (32, 33 et 34), des chaînes hydrocarbonées hydrophobes (32, 33 et 34), et des chaînes hydrophiles d'oligo- ethyleneglycol (33), mais aussi des groupes rigides cyanobiphenyles (34) , mais peuvent aussi être des chaînes d'oligo-Dimethylsiloxanes (o-DMS) comme dans la référence suivante:
35) R. Amaranatha Reddy, Chenhui Zhu, Renfan Shao, Eva Korblova, Tao Gong.Yongqiang Shen, Edgardo Garcia, Matthew A. Glaser, Joseph E. Maclennan, David M. Walba, Noël A. Clark Science 332 (2011 ) pp. 72-77
Ces co-oligomères mésogènes sont particulièrement intéressants par leurs propriétés ferroélectriques et leur temps de basculement court, qui les rendent adaptés aux applications à l'affichage à cristaux liquides.
• On entend par « copolymère ou co-oligomère linéaire à blocs », ou « copolymère ou co-oligomère séquencé », un copolymère ou oligomère formé par deux ou plus motifs élémentaires, dits blocs, liés entre eux en une chaîne linéaire par des liaisons covalentes. Les blocs sont conventionnellement représentées par des lettres majuscules (« A », « B »...), ou minuscules (« a », « b »). Les blocs peuvent par exemple être des homopolymères ou des copolymères ou des homo- ou co-oligomères linéaires ou non.
• La longueur d'un polymère, d'un oligomère ou plus généralement du motif élémentaire d'un copolymère / co-oligomère linéaire à blocs est une notion difficile à définir, car elle se mesure en unités différentes selon le contexte : monomère, longueur de persistance, ou unité de longueur, les deux premières variant entre blocs d'espèces chimiques différentes. Dans la suite, il faut comprendre la somme ou le rapport des longueurs de deux blocs ou chaînes comme la somme ou le rapport, respectivement, des fractions volumiques occupées par ces blocs ou ces chaînes. Il convient de rappeler que les polymères présentent toujours une distribution statistique de leur longueur ; par conséquent, lorsqu'on dit que deux polymères présentent une « même » longueur, cela signifie que la différence entre leurs longueurs physiques est petite par rapport à l'écart type de leur distribution statistique, et de préférence non supérieure à 30%, et de préférence non supérieure à 10%. On caractérise cette dispersion par l'indice de polydispersité Ip qui est le rapport de la moyenne en poids Mw des masses molaires présentes dans le mélange et de leur moyenne en nombre Mn.
• Dans un mélange, on entend par « proportions sensiblement égales » des proportions P, qui, sans être strictement égales, satisfont à l'inégalité : max(Pi)-min(Pi)≤0,2-<Pi>, où <·> indique la moyenne arithmétique, et préférentiellement à l'inégalité max(Pi)-min(Pi)<0,1 <P,>. Les proportions doivent s'entendre en moles (et donc en nombres de molécules), et pas en masse.
• On entend par « espèce chimique » un ensemble de molécules identiques.
• On entend par « famille d'espèces chimiques » un ensemble d'espèces chimiques compatibles, c'est-à-dire ne présentant pas de démixtion spontanée quand on les mélange sous forme d'homopolymères de même longueur. Dans la suite, deux motifs élémentaires appartenant à une même famille d'espèces chimiques seront représentés par une même lettre majuscule (« A », « B »... ) ou minuscule (« a », « b »), pour indiquer de manière qualitative une différence de longueur de chaîne dans l'hypothèse où ces motifs élémentaires seraient à leur tour des polymères ou oligomères. • Deux espèces chimiques sont dites immiscibles lorsqu'elles ont tendance à se séparer après avoir été mélangées. C'est ce qu'on appelle la démixtion. En particulier, deux polymères ou oligomères sont considérés immiscibles lorsque leur paramètre d'interaction de Flory χ prend une valeur supérieure à zéro, et de préférence supérieure ou égale à 10~2. Deux polymères différents sont, le plus souvent, immiscibles. Si deux espèces chimiques ne sont pas immiscibles, on dit qu'elles sont compatibles. Par extension, on parle de blocs ou lamelles compatibles pour indiquer qu'elles sont constituées d'espèces chimiques compatibles.
• Dans le cas d'un copolymère di-blocs, les blocs de nature différente peuvent présenter une tendance à la démixtion, mais ils restent liés entre eux par des liaisons covalentes. La démixtion se traduit alors par une structuration du matériau en microdomaines de composition différente. Cette structuration est effective si le produit de leur paramètre d'interaction de Flory χ par le nombre total de monomères N de la chaîne principale prend une valeur supérieure à 1 , et de préférence supérieure ou égale à 10 (réf. 26 précitée). Dans le cas de copolymères tri-blocs, on doit considérer trois paramètres d'interaction ΧΑΒ , XBC et χΑο et plusieurs longueurs de sous-chaînes (AB, BC et AC). On considère alors que les trois blocs sont immiscibles si le produit zAB (NA + NB) et les deux autres produits analogues sont tous supérieurs à 0,5, et de préférence supérieurs à 5. Dans le cas de copolymères à ntifiés par des indices i,j, on considère que les b blocs sont immiscibles si >1 et de préférence si >10, N étant la longueur de la chaîne du copolymère, comptée en nombre de monomères.
• On entend par « nanoparticule » une particule dont le diamètre, ou la dimension principale, est sensiblement inférieure à 1 pm et de préférence inférieure ou égale à 50 nm et de préférence inférieure à 15 nm.
• On entend par « affinité » l'intensité des interactions intermoléculaires attractives entre deux espèces chimiques. Elle peut par exemple se mesurer dans le cas des polymères par 1/χ.
• On entend par « molécule greffée entre deux blocs » une molécule attachée par deux liaisons irréversibles, notamment covalentes, à deux blocs différents de la chaîne principale. On entend par « irréversibles » des liaisons qui ne se défont pas spontanément dans les conditions normales d'utilisation ou de conservation du matériau et à l'échelle de temps de sa vie utile. Il s'agit par exemple des liaisons covalentes, des liaisons hydrogènes, des liaisons ioniques, des liaisons organométalliques.
• En se réfèrent à un matériau, par « essentiellement constitué » par une substance « A » on entend que les autres composants éventuellement présents constituent des impuretés, ou des dopants, dont la teneur ne dépasse généralement pas 20%, et/ou des inclusions dans une matrice constituée par ladite substance « A ». Certains de ces composants se différentient des éléments constitutifs du matériau lamellaire par le fait qu'ils ne contribuent pas à solidariser entre elles les lamelles. Toutefois, ils peuvent être nécessaires à les stabiliser en jouant le rôle de « fillers ». C'est en particulier le cas des solvants ou des homopolymères, voire de di-blocs agissant comme des co-surfactants.
L'invention peut être généralisée au cas d'un matériau formé par un assemblage d'objets hétérogènes par blocs le long d'un axe, c'est-à-dire formés par un enchaînement de tronçons (les blocs). Les co-polymères et co-olygomères constituent des cas particuliers de tels objets ; d'autres exemples peuvent être des bâtonnets organiques ou inorganiques (métalliques ou diélectriques), voire des virus. Les tronçons peuvent être de nature différente, ou présenter des modifications de surface différentes, les rendant compatibles (interactions attractives) ou incompatibles (interactions répulsives ou absence d'interactions) entre eux.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels :
Les figures 1A, 1 B et 1 C, déjà décrites, illustrent respectivement la structure lamellaire formée par des copolymères diblocs symétriques selon l'art antérieur, une structure non symétrique théorique, qui n'est pas formée spontanément par ces copolymères, et la structure d'un hypothétique défaut d'empilement des couches de ces copolymères, qui ne semble jamais observé en pratique ;
La figure 2 illustre la structure d'un matériau non centro- symétrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3 montre la structure d'un défaut nécessaire au retournement de la polarité dans le matériau de la figure 2 ; La figure 4 illustre, de manière très schématique, la structure d'un matériau non centro-symétrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 5 illustre, également de manière très schématique, la structure d'un matériau non centro-symétrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 6 montre la structure d'un matériau hybride nanocomposite constitué par une matrice lamellaire, du type illustré sur la figure 2, dans laquelle sont dispersées des inclusions orientées de trois natures différentes ; et
La figure 7 illustre la structure d'un matériau non centro- symétrique selon un quatrième mode de réalisation, constitué de copolymères « en peigne ».
Dans un souci de simplification, dans la suite de la description on parlera exclusivement de « polymères » mais, sauf indication contraire, tout ce qui sera dit concernera également les oligomères.
Un matériau selon l'invention est beaucoup plus stable, tant sur le plan chimique que sur le plan mécanique, que les structures NCS décrites plus haut. En effet, la structure d'un tel matériau repose entièrement sur des interactions dipolaires entre dipôles chimiques parallèles, similaires aux interactions entre deux molécules adjacentes dans la membrane d'un di-bloc. Ainsi, par exemple, une molécule ABC peut s'associer à une molécule CAB par leur dipôle commun AB. Les directions relatives des deux molécules sont alors liées. Dans un édifice lamellaire, ces molécules ne peuvent pas se situer au même niveau. Les lamelles sont donc connectées entre elles et on peut donc parler « d'interpénétration dipolaire ». Par analogie avec les matériaux ferromagnétiques, cette association de dipôles chimiques parallèles peut être elle-même être qualifiée de « ferrochimique ».
Un premier exemple de matériau ferrochimique, illustré sur la figure 2, est constitué par un mélange en proportions (sensiblement) égales de trois tri-blocs. La composition de chaque tri-bloc est obtenue par permutation circulaire de trois espèces immiscibles A, B et C. Afin d'autoriser des associations dipolaires entre toutes les molécules sans créer de contrainte dans le milieu, les blocs extrêmes sont deux fois plus courts que les blocs centraux ; pour cette raison, les trois triblocs sont désignés par aBc, bCa, cAb. Au cours d'un recuit de ce mélange, les molécules ne peuvent que s'arranger comme illustré sur la figure 2.
Un exemple concret de matériau de ce type correspond au choix suivant :
A/a : poly-isoprène (ou oligo-isoprène) ;
B/b : poly-butadiène (ou oligo-butadiène) ;
C/c : poly-styrène (ou oligo-styrène).
Les trois copolymères (poly-isoprène — poly-butadiène — poly- styrène)n ; (poly-butadiène— poly-styrène— poly-isoprène)n et (poly-styrène— poly-isoprène— poly-butadiène)n sont connus de l'art antérieur :
36) Apostolos Avgeropoulos, Stella Paraskeva, Nikos Hadjichristidis, et Edwin L. Thomas Macromolecules 2002, 35, 4030-4035 ;
37) Nikos Hadjichristidis, Marinos Pitsikalis, Hermis latrou, Adv Polym Sci (2005) 189: 1-124.
Un second exemple concret de matériau de ce type correspond au choix suivant :
A /a: poly(2-vinylpyridine) (ou oligo-(2-vinylpyridine)) ;
B/b : poly-butadiène (ou oligo-butadiène) ;
C/c : poly-styrène (ou oligo-styrène).
Les trois copolymères (poly-(2-vinylpyridine)— poly-butadiène— poly-styrène)n; (poly-butadiène— poly-styrène— poly-(2-vinylpyridine))n et (polystyrène— poly-(2-vinylpyridine)— poly-butadiène)n sont connus de l'art antérieur :
38) H. Huckstàdt, A. Gôpfert, V. Abetz, Polymer 41 (2000) 9089-
9094
39) Hiroshi Watanabe, Takatoshi Shimura, Tadao Kotaka et Matthew Tirrell Macromolecules (1993),26, 6338-6345.
Un troisième exemple concret de matériau de ce type correspond au choix suivant :
A /a: Poly-styrène ou oligo- styrène;
B/b : Poly-isoprène ou oligo-isoprène ;
C/c : poly- cyclohexadiène (ou oligo- cyclohexadiène).
Les trois copolymères (poly- styrène — poly-isoprène — poly- cyclohexadiène)n ; (poly-cyclohexadiène — poly-styrène — poly-isoprène)n et (polyisoprène— poly- cyclohexadiène— poly-styrène)n sont connus de l'art antérieur: 40) Xiaojun Wang, Jianfeng Xia, Junpo He, Fengping Yu, Ang Li, Jiangtao Xu, Hongbin Lu, et Yuliang Yang Macro molécules 2006, 39, 6898-6904.
Un quatrième exemple concret de matériau de ce type correspond au choix suivant :,
A /a: Poly-methylmethacrylate (ou oligo- methylmethacrylate) ;
B/b : Poly[hexa(ethylene glycol)methacrylate] (ou oligo- [hexa(ethylene glycol)methacrylate]) ;
C/c : poly-[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (ou oligo-[2- (dimethylamino)ethyl methacrylate]).
Les trois copolymères (poly- methylmethacrylate — poly- [hexa(ethylene glycol)methacrylate] — poly-[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate])n ; (poly-[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate]— poly- methylmethacrylate — poly- [hexa(ethylene glycol)methacrylate]))n et (poly-[hexa(ethylene glycol)methacrylate]— poly-[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] — poly- methylmethacrylate)n sont connus de l'art antérieur:
41 ) Aggeliki L. Triftaridou, Maria Vamvakaki, Costas S. Patrickios Polymer 43 (2002) 2921 -2936.
Un cinquième exemple concret de matériau de ce type correspond au choix suivant :
A /a: poly-styrene (ou oligo- styrène) ;
B/b : poly(D,L-lactide) (ou oligo- [(D,L-lactide)) ;
C/c : Poly-isoprène ou oligo-isoprène.
Les trois copolymères (poly-styrene — poly(D,L-lactide) — Poly- isoprène)n ; (Poly-isoprène— poly-styrene — poly(D,L-lactide))n et (poly(D,L-lactide) — Poly-isoprène— poly-styrene )n sont connus de l'art antérieur :
42) David A. Oison, Liang Chen, et Marc A. Hillmyer Chem. Mater. 2008, 20, 869-890.
De plus, grâce aux progrès récents des techniques permettant leur synthèse chimique, il est aujourd'hui admis qu'il est possible à l'homme de l'art de fabriquer pratiquement n'importe quel arrangement de blocs arbitrairement choisis. Les références ci-dessous illustrent par quelques exemples la variété des techniques de synthèse disponibles :
43) Kelly A. Davis et Krzysztof Matyjaszewski Macromolecules 34 (2001 ) pp 2101-2107 ; 44) Holger Schmalz, Armin Knoll, Alejandro J. Miiller, et Volker Abetz Macromolecules (2002) 35, 10004-10013 ;
45) Himabindu Nandivada, Xuwei Jiang et Joerg Lahann Adv. Mater. 2007, 19, 2197-2208 ;
46) Patricia L. Golas et Krzysztof Matyjaszewski Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 1338-1354 ;
47) David Fournier, Richard Hoogenboom et Ulrich S. Schubert Chem. Soc. Rev., 2007, 36, 1369-1380;
48) Ulrich Mansfeld, Christian Pietsch, Richard Hoogenboom, C. Remzi Becer et Ulrich S. Schubert Polym. Chem., 2010, 1 , 1560-1598;
49) Morten Meldal, et Christian Wenzel Tornoe Chem. Rev. (2008), 108, 2952-3015.
La variété des synthèses de triblocs et multiblocs séquencés déjà effectuées et des structures auto-assemblées qui en résultent pour les matériaux purs est par exemple illustrée par les références suivantes :
50) Volker Abetz, Peter F. W. Simon Adv Polym Sci (2005) 189:
125-212
51 ) Nikos Hadjichristidisa, Hermis latroua, Marinos Pitsikalisa,Stergios Pispasb, Apostolos Avgeropoulos Prog. Polym. Sci. 30 (2005) 725-782.
Les copolymères peuvent être mélangés à l'état de poudre ; puis, le mélange de poudres peut être fondu, laissé se stabiliser et enfin solidifié par refroidissement. En variante, la fusion peut être remplacée par, ou combinée à, la solubilisation au moyen d'un solvant, qui est ensuite évaporé pour restituer le matériau solide.
Comparée à toutes les structures lamellaires proposées jusqu'à présent, une grande particularité de cette structure est le découplage entre la position des domaines chimiques et celle des centres de gravité des molécules. Chaque domaine peut être vu comme une bicouche asymétrique remplie à 50% de blocs centraux « transmembranaires » semblables. Ou bien la structure peut être vue comme juxtaposition d'arrangements linéaires cycliques de chaînes de molécules aBc/cAb/bCa/aBc/cAb/bCa ...décalés les uns par rapport aux autres d'une demi- période, en quinconce, comme le sont des rangées de briques dans un mur. Puisque chaque molécule y joue le rôle d'une agrafe pour les molécules voisines, cette structure présente une résistance au cisaillement considérablement plus élevée que celle des structures lamellaires usuelles.
La seule structure symétrique concurrente correspond à un état démixé dans lequel chaque espèce forme un mono-domaine. D'un point de vue dynamique, considérant que la mise en ordre de l'édifice lamellaire se produit par propagation d'un ordre local, il est pratiquement impossible qu'une telle démixtion puisse se produire partant d'un mélange homogène des trois espèces. Par ailleurs, d'un point de vue statique, la configuration des chaînes dans chaque mono-domaine est identique à sa configuration dans le mélange puisque les contraintes y sont les mêmes. L'enthalpie du mélange et de l'état démixé sont donc identiques. Par contre l'entropie du mélange est supérieure à celle de l'état démixé, si bien qu'au total l'énergie libre du système démixé est supérieure à celle du mélange. La structure NCS proposée est donc particulièrement stable.
Cette grande stabilité thermodynamique est nécessaire pour permettre la formation d'échantillons macroscopiques « mono-domaines » avec ordre NCS, mais elle n'est pas suffisante. Il faut en effet que les défauts susceptibles de retourner la polarité de la structure NCS soient suffisamment rares, ce qui implique qu'ils aient un coût énergétique suffisamment élevé. La figure 3 illustre le défaut de retournement le plus « économique » sur le plan énergétique.
Ce défaut est construit arbitrairement autour de l'espèce C. Il se traduit par la présence de trois lamelles d'épaisseur anormale. Si 1 désigne maintenant l'épaisseur d'un domaine chimique, et donc 21 la hauteur d'une molécule, l'épaisseur du domaine C au cœur de l'interface est 2 et celle des domaines A
31
situés de part et d'autre de l'interface est . La structure est donc perturbée sur une épaisseur totale de a et sur cette épaisseur on trouve trois interfaces entre espèces immiscibles, tandis que la même épaisseur en contient deux dans le volume. L'excès d'énergie par unité de surface du défaut est donc Y et la densité volumique d'énergie moyennée sur l'épaisseur du défaut est 1 ,5 fois celle du matériau en volume. Cette énergie est considérable. Elle est par exemple tout à fait comparable à celle du défaut d'empilement dans la structure lamellaire d'un copolymère dibloc symétrique représenté sur la figure 1 C, où l'on compte également une interface AB supplémentaire dans la zone du défaut, soit trois interfaces sur l'épaisseur perturbée 21 au lieu de deux en volume. Or, il est notoire que de tels défauts d'empilement dans les diblocs sont rares et facilement évités. Les matériaux « ferrochimiques » sont donc capables de présenter des ordres NCS sans défauts sur de grands volumes.
La structure de l'interface entre le matériau ferrochimique et un solide plan est également donnée par la figure 3, dans laquelle on ne doit alors considérer qu'une seule des deux parties symétriques, l'axe pointillé représentant maintenant la surface solide. Cette structure correspond à un ancrage homéotrope du matériau. Le terme « homéotrope » rappelle que la structure ferrochimique, quand elle est liquide, est celle d'un smectique, et plus précisément d'un smectique A, les molécules étant sensiblement perpendiculaires aux lamelles. L'ordre smectique polaire (c'est-à-dire non centro-symétrique) est nouveau.
La composition du matériau « ferrochimique » de la figure 2 peut être généralisée.
Premièrement, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de trois polymères (ou oligomères) triblocs, mais peut se généraliser à des mélanges de M copolymères ou oligomères séquencés présentant des chaînes principales obtenues par permutation circulaire ou extraites comme parties des dites permutations, éventuellement répétées autant de fois que nécessaire, de N motifs élémentaires, ou blocs, avec 2=¾M et N^3, M=2 et N=3 étant exclus et certains blocs non voisins pouvant être semblables (par exemple, on peut avoir un mélange des copolymères à blocs suivants : ABAC, ACAD, ADAB, où le bloc « A » apparaît deux fois dans chaque chaîne dans des positions non-adjacentes, ou bien ABA'C, ACA'D, ADA'B ou « A » et « A' » sont des blocs semblables et compatibles mais pas identiques entre eux). Les proportions de ces copolymères ou oligomères devraient, idéalement, être égales, avec une tolérance de ±10% ou, mieux, de ±2%, mais cela n'est pas essentiel.
Les blocs indiqués par une même lettre (« A/a », « B/b »...) ne sont pas nécessairement constitués d'une même espèce chimique ; il suffit qu'il s'agisse de blocs compatibles, au sens indiqué plus haut. Cela est important, par exemple, dans le cas où les motifs élémentaires ou blocs sont constitués par des polymères ou, plus généralement, par des macromolécules : on sait que, dans ces cas, le remplacement de certains groupements par d'autres peut n'affecter que faiblement les propriétés physiques et/ou chimiques de la molécule.
La notion de compatibilité des polymères est étudiée notamment dans les articles de Sonja Krause :
52) Pure et Appl. Chem., Vol. 58, No. 12, pp. 1 553—1 560, 1986 ;
53) « Polymer Compatibility » Polymer Reviews Volume 7, Issue 2, 1972, Pages 251 - 314.
Le manuel suivant :
54) «Polymer data handbook» Oxford University Press, 1999, indique les polymères compatibles avec un polymère donné.
Une certaine polydispersité des longueurs de chaîne des différents blocs est admise. Elle est même susceptible de favoriser l'organisation du milieu ; par exemple, le l'indice de polydispersité Ip peut être inférieur ou égal à 1 ,7 ; de préférence inférieur ou égal à 1 ,4 ; de préférence inférieur ou égal à 1 ,1 ; d'une manière encore préférée inférieur ou égal à 1 ,05.
Par ailleurs, il n'est pas essentiel que les différents blocs « centraux » présentent la même longueur. Il n'est pas non plus essentiel que les blocs d'extrémité présentent une longueur égale à la moitié de celle desdits blocs centraux. On appelle « blocs duaux » des blocs d'extrémité chimiquement semblables ayant un plus proche voisin différent ; c'est par exemple le cas des blocs « a » dans les tri-blocs « aBc » et « bCa ». La somme des longueurs de ces blocs duaux doit être sensiblement égale à la longueur moyenne du bloc central qui leur est chimiquement semblable (« A » dans « bAc »), à 50% près, préférentiellement à 20% près, de manière encore préférée à 10% près.
Il est même possible d'utiliser exclusivement des polymères (oligomères) dans lesquels tous les blocs semblables ou compatibles ayant des blocs voisins semblables ou compatibles sont de longueur sensiblement égale entre eux, sans blocs d'extrémité plus courts. A titre d'exemple, la figure 4 montre de manière très schématique un matériau ferrochimique constitué par un mélange en proportions égales de trois tri-blocs avec des blocs de même longueur. La Figure 6 montre la structure obtenue à partir d'un mélange de deux tetra-blocs complémentaires : ABCD et CDAB. Ces deux édifices sont moins harmonieux que le précédent parce que les blocs extrêmes contribuent à la création d'interfaces entre espèces immiscibles.
Les matériaux ferrochimiques peuvent servir de matrices pour la réalisation de matériaux nanocomposites, présentant des inclusions électriquement et/ou magnétiquement) polaires ou hyper-polarisables.
Il est connu de l'art antérieur d'exalter les propriétés optiques non linéaires des matériaux polymères en introduisant des molécules hyper-polarisables dans la matrice polymère et en les orientant « à chaud » sous champ électrique (« poling »), l'ensemble étant ensuite gelé à la température ordinaire. Les molécules sont ainsi maintenues dans un arrangement contraire à l'équilibre. Il en résulte des problèmes de tenue en température et surtout de vieillissement. Les mêmes problèmes de fatigue se rencontrent avec les matériaux piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques ou ferromagnétiques.
La figure 6 montre comment, au contraire, des inserts polaires ou polarisables peuvent se trouver orientés à l'équilibre par une matrice ferrochimique. Quatre solutions sont représentées sur la figure. Dans la première, un di-bloc DB constitué de deux des trois espèces présentes dans la matrice et portant un dipôle électrique ou magnétique, ou un groupement fortement polarisable, se positionne à cheval de l'interface entre deux lamelles. Dans la deuxième, l'insert est constitué par une nanoparticule NP dont les deux hémisphères sont tapissés de deux groupes fonctionnels différents, FB, FC présentant une affinité préférentielle avec l'espèce chimique B et C, respectivement (« grains Janus ») ; on remarquera que, dans ce cas, les nanoparticules sont localisées aux interfaces, et non au cœur des lamelles comme cela se produit souvent avec des nanoparticules isotropes, et leur orientation est forcée « chimiquement » par la matrice. Voir à ce propos :
55) Li-Tang Yan, Nicole Popp, Sujit-Kumar Ghosh, et Alexander Bôker ACS Nano VOL. 4 (2) pp. 913-920 (2010) ;
56) Xue Li, Hui Yang, Limei Xu, Xiaoning Fu, Huanwang Guo, Xiaokai Zhang Macromol. Chem. Phys. 2010, 21 1 , 297-302 ;
57) Andréas Walther, Kerstin Matussek et Axel H. E. Mûller ACS Nano, 2008, 2 (6), pp 1 167-1 178
58) Frederik Wurm et Andréas F. M. Kilbinger Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 8412 - 8421] 59) Jaeup U. Kim et Mark W. Matsen Phys. Rev. Letiers 102, 078303
(2009).
Dans le troisième cas, le dipôle ou groupement hyper-polarisable P est installé chimiquement « en pont » entre deux blocs adjacents d'un composant copolymère du mélange.
Dans le quatrième cas, l'insertion se présente sous la forme d'un chaîne linéaire présentant deux extrémités formées par deux des blocs constituant lesdits copolymères ou co-oligomères (A et B), disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles dont chacune est compatible avec l'un des deux dits blocs, et une partie centrale PC incompatible avec les deux dites extrémités et qui, en raison de son incompatibilité, se présente ramassée en forme de boule ou goutte. La partie centrale peut être ou comprendre un bloc, une chaîne de blocs, une ou plusieurs nanoparticules.
Jusqu'ici on a considéré uniquement le cas de matériaux constitués de copolymères ou co-oligomères linéaires, mais il ne s'agit pas d'une limitation essentielle. La figure 7 montre la structure d'un matériau selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, obtenu par mélange, en proportions molaires identiques ou similaires, de trois copolymères « en peigne », constitués respectivement :
d'une chaîne principale A portant des chaînes diblocs linéaires séquencées BC ;
d'une chaîne principale C portant des chaînes diblocs linéaires séquencées AB ; et
d'une chaîne principale B portant des chaînes diblocs linéaires séquencées CA.
Il est également possible d'envisager des matériaux obtenus par mélange de copolymères/co-oligomères linéaires et en peigne.
En variante, un matériau selon l'invention peut être obtenu par mélange en solution de trois populations d'objets solides, éventuellement flexibles, par exemple des bâtonnets, en égales proportions. Chaque objet peut être organique, diélectrique (par exemple silice) ou métallique (par exemple or ou argent), ou semiconducteur, ou constitué d'un polymère rigide synthétique ou naturel (par exemple xanthane ou virus de tabac). Il est constitué de plusieurs tronçons (par exemple trois), dont la compatibilité ou incompatibilité est contrôlée en agissant sur leur composition (en volume) ou sur leur propriétés de surface, par exemple grâce à des techniques d'implantation ionique ou d'irradiation par faisceaux d'électrons ou par des techniques de plasmas froids, ou encore par des techniques de greffage ou d'adsorption sélectifs de courtes molécules sur leur surface après dépôt réversible sur un support ou en microréacteur. Ces techniques peuvent être appliquées à des objets déposés à cette fin de façon réversible sur un support.
De préférence es populations de bâtons sont obtenues chacune par une permutation des tronçons (par exemple : ABC, BCA ou CAB), et quand leur diamètre est identique les longueurs des tronçons vérifient (dans le cas préféré de trois tronçons) :
• ou bien Lj(ABC) = Lj(BCA) = Lj(CAB) , avec j= A,B ou C
• ou bien Lj(jkl) + Lj(klj) = Lj(ljk) avec k= A, B ou C et 1= A,B ou C et
j≠k≠l
Préférentiellement, la longueur totale des objets en forme de bâtonnet peut être inférieure ou égale à 1 mm; préférentiellement voire à 100 pm ou même à 10 pm.
Pour la fabrication de tels objets on peut se rapporter à :
60) Matthew J. Banholzer et al. ACS Nano, Vol. 4, No.9, pp. 5446 -
5452.

Claims

REVENDICATIONS
1. Matériau présentant une structure macroscopique de type lamellaire et non centro-symétrique, essentiellement constitué par un mélange d'au moins deux populations d'objets hétérogènes par blocs le long d'un axe, constitués chacun d'au moins deux blocs, caractérisé en ce que chacun desdits objets est lié à des objets adjacents par des interactions impliquant au moins deux blocs incompatibles entre eux dudit objet et deux blocs compatibles un à un avec les premiers dits blocs et incompatibles entre eux le long de la chaîne de chaque dit objet adjacent.
2. Matériau à structure lamellaire non centro-symétrique selon la revendication 1 , dans lequel chaque dit objet est lié à chaque objet adjacent dans toutes les directions du matériau, à l'exception de la direction perpendiculaire aux lamelles, par des interactions impliquant au moins deux blocs incompatibles entre eux dudit objet et deux blocs compatibles un à un avec les premiers dits blocs et incompatibles entre eux le long de la chaîne de chaque dite molécule adjacente.
3. Matériau à structure lamellaire non centro-symétrique selon l'une des revendications précédentes, indexés par m, essentiellement constitué par un mélange de M populations d'objets, constitués chacun d'une chaîne linéaire de P(m) blocs choisis parmi N motifs élémentaires, avec N>3, P(m) >2 et M >2, les motifs élémentaires adjacents dans chaque chaîne linéaire étant choisis incompatibles entre eux.
4. Matériau à structure lamellaire non centro-symétrique selon la revendication 3, dans lequel chaque dite chaîne linéaire de blocs constitue une portion de longueur P(m) >2 d'une séquence obtenue par répétition périodique d'un ensemble ordonné desdits motifs élémentaires.
5. Matériau à structure lamellaire non centro-symétrique selon la revendication 4, essentiellement constitué par un mélange de 3 populations d'objets, constitués chacun d'une chaîne linéaire de 3 blocs choisis parmi 3 motifs élémentaires, les motifs élémentaires adjacents dans chaque chaîne linéaire étant choisis incompatibles entre eux.
6. Matériau selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdites populations d'objets sont mélangées en proportions sensiblement égales.
7. Matériau nanocomposite comprenant une matrice constituée par un matériau à structure lamellaire non centro-symétrique selon l'une des revendications précédentes et des insertions polaires ou polarisables.
8. Matériau nanocomposite selon la revendication 7 dans lequel lesdites insertions comprennent des nanoparticules (NP) Janus présentant un premier et un deuxième côté chimiquement différents, lesdites particules étant disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles compatibles avec lesdits premier et deuxième côté respectivement.
9. Matériau nanocomposite selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel lesdites insertions comprennent des molécules (D) formées par deux desdits blocs constituant lesdits copolymères ou co-oligomères, disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles dont chacune est compatible avec l'un des deux dits blocs.
10. Matériau nanocomposite selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel lesdites insertions comprennent des chaînes linéaires présentant deux extrémités formées par deux desdits blocs (A, B) constituant lesdits objets, disposées au niveau d'interfaces entre deux lamelles dont chacune est compatible avec l'un des deux dits blocs, et une partie centrale (PC) incompatible avec les deux dites extrémités.
11. Matériau nanocomposite selon l'une des revendications 7 à 10 dans lequel lesdites insertions comprennent également des molécules (P) greffées entre deux dits blocs desdits objets ou entre les deux côtés desdites nanoparticules Janus.
12. Matériau selon l'une des revendications 7 à 11 dans lequel lesdites insertions présentent un moment dipolaire électrique et/ou magnétique permanent.
13. Matériau selon l'une des revendications 7 à 12 dans lequel lesdites insertions présentent une susceptibilité électrique, magnétique ou optique, linéaire ou non linéaire, supérieure d'au moins un facteur 10 à celle desdits objets.
14. Matériau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits objets sont des copolymères ou co-oligomères à blocs.
15. Matériau à structure lamellaire non centro-symétrique la revendication 14, dans lequel lesdits copolymères ou co-oligomères présentent une chaîne linéaire ou en peigne.
16. Matériau selon l'une des revendications 14 ou 15, formé par un empilement de lamelles, chacune desdites lamelles étant formée d'une seule espèce chimique constituant un dit bloc, ou bien d'espèces chimiques formant des blocs compatibles, les chaînes desdits polymères ou oligomères présentant une orientation généralement perpendiculaire auxdites lamelles.
17. Matériau selon l'une des revendications 14 à 16 dans lequel lesdits copolymères ou co-oligomères présentent des longueurs sensiblement identiques.
18. Matériau selon l'une des revendications 14 à 17 dans lesquels les blocs identiques ou compatibles entre eux appartenant à différents copolymères ou co-oligomères présentent des longueurs sensiblement identiques.
19. Matériau selon l'une des revendications 14 à 17 dans lequel chacun desdits copolymères ou co-oligomères présente deux blocs d'extrémité (a, b, c) et un ou plusieurs blocs dits centraux (A, B, C) compris entre lesdits blocs d'extrémité ; dans lequel au moins un bloc central d'un dit copolymère ou co- oligomère est compatible avec au moins deux blocs d'extrémité d'autres dits copolymères ou co-oligomères, lesdits blocs d'extrémité présentant des plus proches voisins différents, et dans lequel ledit bloc central présente une longueur sensiblement égale à la somme des blocs d'extrémité des autres dits copolymères ou co-oligomères.
20. Matériau selon l'une des revendications 14 à 19 dans lequel les blocs constitutifs desdits copolymères ou co-oligomères sont eux-mêmes constitués de molécules organiques, de blocs mésogènes, de molécules organométalliques, de nucléotides, d'acides aminés ou de saccharides.
21. Matériau selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel lesdits objets sont des objets en forme de bâton.
22. Matériau selon la revendication 21 , dans lequel lesdits objets en forme de bâton présentent une longueur inférieure ou égale à 1 mm, de préférence inférieure ou égale à 100 m et de manière encore préférée inférieure ou égale à 10 μιη.
23. Matériau selon l'une des revendications 21 ou 22, dans lequel lesdits objets présentent des mêmes dimensions dans un plan perpendiculaire audit axe et sont obtenus par permutation de trois blocs de base, indiqués par A, B et C, dont les longueurs Lj vérifient l'une des conditions suivantes :
- Lj(ABC)=Lj(BCA)= Lj(CAB) avec j=A, B ou C ; et
- Lj(ljk) avec j,k,l =A, B ou C et j≠ k≠ I.
EP12735035.3A 2011-06-15 2012-06-15 Matériau auto-assemblé, notamment à base de polymères ou d'oligomères, présentant une structure lamellaire non centro-symétrique Withdrawn EP2721081A1 (fr)

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