Centre de recherche sur les matériaux autoassemblés (CRMAA)

Le CRMAA regroupe des chercheurs de 5 universités québécoises. En plus de l'Université de Montréal, sont représentés l'Université McGill, l'Université Concordia, l'Université de Sherbrooke et l'Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Qu'est-ce que l'autoassemblage?

L'autoassemblage décrit le processus par lequel de petites unités chimiques se retrouvent dans un milieu, atteignent un état d'équilibre, et produisent des structures à plus grande échelle. L'autoassemblage imite fortement les mécanismes de la nature, formant des architectures stables et complexes à partir de modules simples.

Parmi les matériaux autoassemblés, notons :

  • les cristaux liquides;
  • les monocouches autoassemblées;
  • l'organisation des lipides dans les micelles et les vésicules;
  • la séparation microphase des copolymères blocs;
  • les polymères adsorbés sur des surfaces en couches et multicouches.

Les monocouches autoassemblées

La préparation de monocouches organiques autoassemblées est couramment utilisée pour modifier des surfaces de métaux et d'oxydes métalliques lors d'études fondamentales des phénomènes d'interfaces. Il en est de même pour la conception de dispositifs à l'échelle moléculaire.

Les membres du Centre conçoivent de nouvelles monocouches fonctionnalisées pour des applications en catalyse par l'incorporation de groupements organométalliques. Ils agissent aussi de la sorte en optoélectronique par la formation de films avec une conjugaison étendue, ainsi qu'en modélisation de surfaces biologiques, par l'addition des groupements de reconnaissance moléculaire.

La caractérisation moléculaire de ces films est essentielle pour les applications envisagées. De nouvelles techniques de caractérisation employées par les membres du Centre incluent :

  • la microscopie atomique électrochimique (EC-AFM);
  • la spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR);
  • les détecteurs de microcantilever;
  • la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide à haute résolution.

À cela s'ajoute une méthode spectroscopique permettant de détecter les modifications chimiques et physiques induites dans les films organiques minces sous l'impact d'électrons à très faible énergie.

Films autoassemblés structurés

La séparation de phases de monocouches composées de phospholipides, d'alkylthiols, et d'alkylsilanes est utilisée afin de créer des assemblages de monocouches auto-organisées qui se différencient du point de vue chimique et physique. Ces films minces sont utilisés pour contrôler le dépôt sélectif des macromolécules, des nanoparticules, et la cristallisation des molécules organiques à l'échelle sousmicronique. Cela afin de créer, de ce fait, de nouvelles structures de surface et de nouveaux matériaux.

Films minces organométalliques

Les ions métalliques permettent l'organisation des fragments organiques (ligands) de manière prédéterminée, afin de dicter la forme et la fonction de la structure finale dans l'assemblage. La conception et l'autoassemblage de structures multicomposantes discrètes reposent sur l'identification des blocs constructeurs. Plusieurs études ont été effectuées sur la chimie supramoléculaire et l'autoassemblage de ces molécules, utilisant les méthodes d'investigation qui suivent :

  • microscopie à force atomique (AFM);
  • microscopie à balayage à effet tunnel (STM);
  • microscopie électronique à transmission (TEM).

Synthèse, caractérisation et autoassemblage des photons et molécules sensibles aux électrons

Les espèces ciblées, après synthèse, se composent d'un squelette hydrophile renfermant une grande quantité de groupements latéraux azobenzène et de motifs terminaux contenant NO2 et CN. Ces matériaux sont déposés sur des films d'or ou de mica sous la forme de couches orientées. Ils sont caractérisés par AFM et spectroscopie infrarouge à faisceau incident rasant. Les isomérisations cis/trans sont induites par irradiation optique dans le domaine de l'UV/vis.

Couches organiques

Malgré l'utilisation courante en électrochimie des électrodes en graphite, peu d'études ont été effectuées sur leurs propriétés de surface et électrochimiques. Les facteurs influençant l'efficacité, la stabilité et la sélectivité des électrodes en graphite, modifiées par des couches aryliques, sont analysés dans certains processus électrochimiques.

Les interfaces biomimétiques

La formation de structures complexes macroscopiques construites à partir de blocs demeure l'un des problèmes les plus intrigants de la biologie. Ce processus d'auto-organisation peut expliquer comment une fonction complexe telle la mobilité d'une cellule peut être à l'origine de la conversion structurale et énergétique des protéines.

Cependant, aucune règle n'a été établie afin prédire la structure éventuelle ou le modèle constitué par un processus d'autoorganisation. La compréhension détaillée de la cinétique et de l'énergétique des séquences d'autoassemblage et d'autoorganisation des systèmes modèles serait le seul moyen permettant la formulation de telles règles. La recherche dans ce domaine se concentrera sur l'organisation bidimensionnelle des lipides et des protéines en surface. Plusieurs séries de lipides bi et tripolaires ont été générées et leur auto-assemblage sera étudié afin de construire des diagrammes de phases basés sur la structure et les propriétés.

Transition de phases dans les monocouches et les bicouches lipidiques

L'organisation spatiale des protéines, des lipides, et des molécules " invitées " dans les monocouches lipidiques, dans les membranes, ainsi que dans les couches minces, détermine leurs interactions spécifiques et leur fonction. La résolution spatiale de l'AFM et de la LFM (microscopie à force latérale) a été utilisée pour étudier le mélange de monocouches et de bicouches de phospholipides formé par la technique de Langmuir-Blodgett ou par fusion de vésicule sur le mica.

Défauts et formation de pores sur les membranes par les peptides amphipathiques

La synthèse organique est utilisée pour l'élaboration de nouveaux matériaux qui intègrent les caractéristiques structurales et fonctionnelles des biopolymères à la stabilité et à la diversité des polymères synthétiques. Il en résulte une meilleure compréhension de l'autoassemblage de macrocycles synthétiques et d'oligomères dans des membranes modèles. En particulier, le canal ou la structure poreuse des foldamères synthétiques et des macrocycles est étudié par AFM.

L'autoassemblage de polymères

Les forces de Van der Waals et les interactions hydrophobes et électrostatiques sont utilisées afin d'orienter la structure de 3e ordre des polymères synthétiques sur une large gamme de morphologies.

Des copolymères possédant des sous-unités pouvant induire l'autoassemblage par l'identification moléculaire, les interactions hydrophobes et les interactions électrostatiques, sont développés par les chercheurs du Centre.

Les micelles obtenues à partir de petites molécules sont incorporées aux polymères, puis facilement enlevées afin d'obtenir des polymères poreux. Les couches de polymères fonctionnalisées sont créées par les techniques de Langmuir-Blodgett et de multicouches (polyélectrolytes). L'identification des structures résultantes repose sur les efforts combinés des experts du Centre en matière de caractérisation, permettant l'exploration d'applications possibles : biocapteurs, matériaux de bioséparation et agents pour le relargage des médicaments.

Autoassemblage des polymères par identification moléculaire

Une nouvelle approche a recours à la synthèse de polymères capables d'utiliser l'identification moléculaire pour s'autoassembler en morphologies très organisées. Cela à la manière de la paire de bases sélectives qui permet à l'ADN de prendre la forme d'une double hélice.

La spectroscopie RMN ainsi que les méthodes de spectroscopie vibrationnelle sont utilisées afin de caractériser les interactions par liaisons hydrogène. Les morphologies sont caractérisées par diffusion de la lumière et par microscopie électronique en transmission.

Autoassemblage des copolymères à blocs par interactions hydrophobes et hydrophiles

Un effort considérable a été consenti à l'étude des polymères modifiés hydrophobiquement (HM-polymères) en raison de leur importance théorique et de leurs applications pratiques.

De tels polymères se composent d'une chaîne hydrosoluble portant quelques groupements hydrophobes ainsi que des chaînes d'hydrocarbure ou de fluorocarbone. Il est bien connu que les fluorocarbones et les hydrocarbures ne se mélangent pas. La question suivante se pose alors : quelles seront les propriétés des HM-polymères portant à la fois des chaînes d'hydrocarbure et de fluorocarbone?

Copolymères à blocs autoassemblés optiquement actifs

La synthèse de copolymères blocs possédant des groupements photoconvertibles permet d'accéder à leur structure auto-assemblée et à des changements réversibles des propriétés optiques, géométriques ou mécaniques. Les vésicules des copolymères à blocs dérivés de l'azobenzène, les élastomères photoactifs ainsi que les films de polymères optiquement actifs sont produits par plusieurs groupes. L'expertise optique examinant la fonctionnalité de ces polymères autoassemblés photosensibles est également présente au Centre.

Films Langmuir-Blodgett de copolymère à blocs

La séparation de phases spontanées de copolymères diblocs AB peut être utilisée pour la préparation de surfaces présentant des domaines de dimensions moléculaires périodiquement ordonnées. De telles surfaces peuvent servir d'appui à la croissance contrôlée des cellules. Cette approche possède cependant une limite significative en raison du manque de contrôle de l'orientation au-delà des microdomaines. Les couches des copolymères à blocs asymétriques sont toujours sous la forme de polydomaines avec un ordre périodique de quelques micromètres.

Multicouches de polyélectrolytes (PEM)

L'adsorption séquentielle des polymères cationique et anionique est devenue une méthode de plus en plus importante pour produire des films minces uniformes de polymère. Des chercheurs du Centre ont récemment déposé de simples PEM sur des colloïdes de silice et ont utilisé la spectroscopie RMN à l'état solide pour suivre la croissance des multicouches ainsi que la complexation du polymère. La compréhension de l'effet de la variation des paramètres de préparation sur les propriétés du film au niveau moléculaire constitue l'un des buts de cette recherche.

Les matériaux cristallins liquides

L'état cristallin liquide est un état fondamental qui combine mobilité et structure. Les membranes biologiques fonctionnent dans cet état essentiel à la vie. Dans les laboratoires, cela est réalisé par l'autoassemblage des molécules. Il constitue de ce fait un élément de conception de base pour l'obtention de matériaux avec des structures et des propriétés spécifiques.

Les projets de recherche du CRMAA dans ce domaine reflètent la créativité avec laquelle la cristallinité liquide peut être exploitée pour développer des matériaux nouveaux.

Gels cristaux liquides

Les gels cristaux liquides sont des molécules de faible masse molaire dont les textures ou l'orientation à longue distance sont stabilisés par un réseau polymère. En général, le réseau est covalent puisqu'il est formé par polymérisation d'un monomère réactif dissous dans une matrice cristal liquide. L'utilisation des réseaux non covalents autoassemblés est étudiée pour préparer des gels cristaux liquides qui, une fois fonctionnalisés avec des groupements photosensibles, créeront des matériaux fonctionnels ayant des applications potentielles dans les technologies des écrans.

La photo-isomérisation réversible cis-trans de l'azobenzène est explorée afin d'ajouter de nouvelles fonctions à ces matériaux. En particulier, le Centre s'intéresse à l'utilisation de ces derniers comme matériaux optiques pour enregistrer les réseaux de diffraction pouvant être contrôlés soit par un champ électrique ou par la lumière.

Polymères cristaux liquides

De nouveaux polymères cristaux liquides ont été synthétisés par la chimie classique et supramoléculaire. Cette dernière combine les propriétés des petites molécules et des polymères, et permet de modeler les propriétés du matériau. Ainsi, les polymères et les mésogènes, tous deux complémentaires, sont autoassemblés à travers des interactions non covalentes (ionique, à liaison hydrogène, de coordination).

L'utilisation de copolymères blocs mène à des structures hiérarchiques, combinant les structures à méso-échelle (pour le copolymère bloc) et à nanoéchelle (pour le cristal liquide), à la manière des structures présentes dans la nature. Les mésogènes sensibles aux stimuli sont choisis afin de produire des matériaux intelligents pour des applications spécifiques (optiques, par exemple). Ces matériaux sont étudiés en masse et en tant que films minces et ultraminces.

Suspensions cristallines liquides

Dans les conditions propices, les particules colloïdales sous forme de bâtonnets peuvent former des suspensions cristallines liquides. Quand les nanocristaux de cellulose sont dispersés dans l'eau, ils s'autoorganisent afin de former des phases nématiques chirales avec d'intéressantes propriétés physiques et optiques. L'orientation de la surface des nanocristaux, la rugosité des films et la stabilité dans le solvant ont été comparées pour les 2 méthodes de préparation des multicouches. Les films réticulés ioniquement par la méthode de dépôt par trempage (dip coating) sont stables en milieu aqueux tandis que les films absorbés physiquement par dépôt à la tournette (spin coating) se redispersent dans un solvant.

Des essais ont été effectués pour induire l'alignement des nanocristaux de cellulose en variant le substrat, le prétraitement du substrat, la concentration en cellulose et en appliquant un champ magnétique.

Équipement du CRMAA

  • Machine de traction Instron
  • Microbalance de quartz
  • GPCs analytique et préparatif
  • DSC, TGA et DMTA
  • SNOM
  • Spectromètre Raman
  • Ultracentrifuge analytique
  • WAXS et SAXS
  • Microscopie AFM
  • Microscopie optique et polarisante
  • Diffusion de la lumière statique et dynamique
  • FTIR conventionnel
  • Spectromètre FTIR à modulation de polarisation
  • Accessoires pour IRRAS, ATR (réflexion totale atténuée)
  • Appareil de forces de surface
  • Spectroscopie de fluorescence
  • Appareil d'angles de contact
  • Analyseur de particules
  • TEM et SEM

Renseignements

Pr Géraldine Bazuin : 514 340-5176
Pr Robert Prud'homme : 514 340-5173

Infrastructure - Université de Montréal

Les professeurs du CRMAA

Le CRMAA regroupe 36 professeurs, dont 13 proviennent de l'Université de Montréal.