Les matériaux hybrides résultent de la combinaison de composants moléculaires et inorganiques. Ils suscitent un intérêt croissant en raison de leurs propriétés issues de la synergie entre leurs constituants. Leur structuration à l’échelle nanométrique permet de concevoir des matériaux aux propriétés électriques, optiques ou magnétiques spécifiques, ou adaptés à des applications dans les domaines du transport électronique, de la catalyse, de l’énergie, ou de la biomédecine. Lorsqu’ils sont associés à une structuration hiérarchique – c’est-à-dire une organisation contrôlée à différentes échelles (nano-, micro-, ou macroscopique) – ces matériaux peuvent gagner en performance et en efficacité.
L’approche suivie dans ce travail de thèse pour obtenir des matériaux hybrides à structuration hiérarchique est de combiner des nanoparticules métalliques à des systèmes moléculaires connus pour former des structures supramoléculaires organisées. Une attention particulière est donnée au contrôle des interactions existantes entre la surface des nanoparticules et les espèces moléculaires. L’effort est concentré sur des nanoparticules de métaux nobles, d’or et de platine, stables à l’air. Deux types d’espèces moléculaires ont été utilisés pour former les systèmes hybrides. Dans un premier temps, des galactonamides à chaîne alkyl ont été choisis pour leur propension à former des hydrogels à bas poids moléculaire. Dans un deuxième temps, des polymères peptidiques ont été sélectionnés pour leur structuration en hélice alpha qui mène à un comportement de cristal liquide. Dans les deux cas, nous avons optimisé des voies de synthèse pour décorer les systèmes moléculaires structurés avec des nanoparticules métalliques.
Ce manuscrit s’articule autour de trois chapitres. Le chapitre 1 est un chapitre bibliographique qui décrit les principes d’obtention de matériaux hybrides à structuration hiérarchique incluant des nanoparticules métalliques. Il reprend les principales méthodes de préparation et détaille quelques exemples d’applications où la structure influence les propriétés des matériaux obtenus. Le chapitre 2 rapporte le travail effectué sur l’élaboration de matériaux hybrides à base d’hydrogels à bas poids moléculaires, leur élaboration et l’étude de leurs propriétés rhéologiques, thermodynamiques et électriques. Enfin, le chapitre 3 concerne les matériaux hybrides à base d’auto-assemblages de polymères peptidiques et de nanoparticules de platine. Il étudie de façon systématique l’influence de la structure des polypeptides (e.g. la taille, la nature de la chaîne latérale, la stéréochimie des acides animés, etc.) sur des systèmes hybrides de deux natures : des phases lamellaires obtenues par auto-assemblage avec des nanoparticules préformées, ou des nanoparticules hyperbranchées obtenue par synthèse in-situ en présence des polymères. |
Hybrid materials result from the combination of molecular and inorganic components. They are attracting growing interest thanks to the synergistic properties of their constituents. Their nanoscale structuring makes it possible to design materials with specific electrical, optical or magnetic properties, or adapted to applications in the fields of electronic transport, catalysis, energy or biomedicine. When combined in a hierarchical structuration - i.e. a controlled organization at different scales (nano-, micro-, or macroscopic) - these materials can gain in performance and efficiency.
The approach taken in this PhD thesis to obtain hierarchically structured hybrid materials is to combine metal nanoparticles with molecular systems known to form organized supramolecular structures. Particular attention is paid to controlling the interactions between the nanoparticle surface and the molecular species. The focus is on air-stable nanoparticles of noble metals, such as gold or platinum. Two types of molecular species were used to form the hybrid systems. Firstly, alkyl-chain galactonamides were chosen for their propensity to form low-molecular-weight hydrogels. Secondly, peptidic polymers were selected for their alpha-helix structuring leading to liquid crystal behavior. In both cases, we optimized synthetic routes to decorate structured molecular systems with metal nanoparticles.
This manuscript is structured around three chapters. Chapter 1 is a bibliographical chapter describing the obtaining of hierarchically structured hybrid materials including metal nanoparticles. It reviews the main preparation methods and details a few examples of applications where structure influences the properties of the resulting materials. Chapter 2 reports on the development of hybrid materials based on low-molecular-weight hydrogels, their elaboration and the study of their rheological, thermodynamic and electrical properties. Finally, Chapter 3 deals with hybrid materials based on self-assemblies of peptide polymers and platinum nanoparticles. It systematically studies the influence of the polypeptide structure (e.g. size, nature of side chain, stereochemistry of amino-acids, etc.) on hybrid systems of two kinds: lamellar phases obtained by self-assembly with pre-formed nanoparticles, or hyperbranched nanoparticles obtained by in-situ synthesis in the presence of polymers. |