Maintient des systèmes à 98°C et formation des agrégats de silice

En maintenant les systèmes à 98°C, l’augmentation de la solubilité de la silice et l’accélération des échanges entre la silice et l’acide silicique provoque une augmentation de la force ionique. Les mesures de conductivité en fonction du temps de chauffage présentées dans le chapitre 4 montrent que cette augmentation est relativement lente. Ceci provoque une diminution de la portée des répulsions électrostatiques et permet aux particules de silice de s’approcher. Celles-ci s’agrègent dès que la portée des forces électrostatiques est suffisamment réduite par rapport à l’épaisseur de la couche de polymère précipité. Ceci explique pourquoi les systèmes contenant peu de polymère de plus petite masse molaire n’ont jamais formé d’agrégats permanents : la couche de polymère précipité de ces systèmes est trop fine.

L’obtention d’agrégats rigides est obtenue grâce à l’hydrolyse et la condensation d’acide silicique sur les sites silanols. Il faut donc que les réactifs puissent traverser les couches de polymère précipité. Ceci ne peut se dérouler que si la couche de polymère est très inhomogène et laisse des zones de la surface disponible ou si la couche de polymère est perméable. Les couches

de POE sont a priori assez inhomogènes, comme décrit dans le paragraphe 1.2, et perméables puisqu’elles contiennent environ 40% d’eau.

Figure 4 – Agrégation des particules de silice causée par l’augmentation de la force ionique

• Origine de l’alignement

Les résultats résumés dans le paragraphe 1.4 montrent que les agrégats ont une dimension fractale très faible lorsque la force ionique est la plus faible possible, i.e. lorsqu’un potentiel répulsif de faible intensité coexiste avec un potentiel attractif de courte portée. Réduire la portée des forces électrostatiques conduit à des agrégats ayant une dimension fractale de 1,95.

La cause exacte de ces valeurs n’est pas claire. Deux explications peuvent cependant être avancées. Si l’on part d’une particule de silice recouverte d’une couche de polymère précipité s’approchant d’un dimère de particules de silice, la trajectoire peut être aléatoire ou non. Si elle est aléatoire, les particules de silice doivent se réarranger au sein de l’agrégat avant que l’agrégat ne se rigidifie pour minimiser les répulsions électrostatiques et former des agrégats de dimension fractale égale à 1,5. Sans ce réarrangement, la dimension fractale des agrégats serait comprise entre 1,8 et 2,1 selon la probabilité de collage. Si la trajectoire, n’est pas aléatoire, alors la particule recouverte de polymère précipité s’approche préférentiellement selon la direction du dimère de particules s’adsorbant à l’extrémité de celui-ci.

Ces deux hypothèses sont illustrées sur la figure 5 et la figure 6 et n’ont malheureusement pas pu être vérifiées expérimentalement.

Figure 5 – Origine de l’alignement dans le cas d’une approche selon des trajectoires aléatoires

Figure 6 – Origine de l’alignement dans le cas d’approches selon des directions préférentielles.

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RÉÉFFÉÉRREENNCCEESS

1. Brinker C.J. and Sherer G.W., Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing. 1990, Boston. Academic Press. 908.

2. Iler R.K., The Chemistry of Silica, ed. Wiley-Interscience. 1979, New York. John Wiley & Sons. 3. Jolivet J.-P., Henry M., and Livage J., Metal oxide chemistry and synthesis. 2000, Chichester. John Wiley and sons.

4. Schonhoff M., Larsson A., Welzel P.B., and Kuckling D., Journal of Physical Chemistry B, 2002. 106(32). p. 7800-7808.

5. F. Hofmeister, Zur Lehre von der Wirkung der Salze, Arch. Exp. Pathol. Pharmakol. (Leipzig) 24 (1888) 247-260; translated in W. Kunz, J. Henle and B. W. Ninham, ' Zur Lehre von der Wirkung der Salze' (about the science of the effect of salts: Franz Hofmeister's historical papers, Curr.

Opin. Coll. Interface Sci. 9 (2004) 19-37

6. Melosh N.A., Lipic P., Bates F.S., et al., Macromolecules, 1999. 32(13). p. 4332-4342. 7. Melosh N.A., Davidson P., and Chmelka B.F., Journal of the American Chemical Society, 2000. 122(5). p. 823-829.

8. Lin M.Y., Lindsay H.M., Weitz D.A., et al., Nature, 1989. 339. p. 360-362.

9. Lin M.Y., Lindsay H.M., Weitz D.A., et al., Journal of Physics-Condensed Matter, 1990. 2(13). p. 3093-3113.

10. Lin M.Y., Lindsay H.M., Weitz D.A., et al., Physical Review A, 1990. 41(4). p. 2005-2020.

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COONNCCLLUUSSIIOONN GGEENNEERRAALLEE

La contribution de ce travail dans la thématique de recherche générale sur la réalisation d’hybrides organiques/inorganiques est de montrer que la maîtrise des forces au sein d’un système colloïdales de particules sphériques nanométriques de silice en interaction avec des polymères thermosensibles permet de former des agrégats orientés permanents.

Trois polymères thermosensibles ont été testés dans ce but : la PVP, insoluble à des températures inférieurs à 6°C, le PNIPAM, insoluble à des températures supérieures à 32°C et le POE, insoluble à des températures supérieures à environ 90°C dans l’eau. Ces trois polymères interagissent tous avec la silice par liaisons hydrogène. Pour chaque polymère, une large gamme de masses molaires a été balayée. Finalement, seules les chaînes de POE ont permis de former des agrégats permanents dont la structure ne dépend pas de la longueur des chaînes.

Ces expériences ont permis de mettre à jour quelques propriétés essentielles des chaînes de polymère pour former des agrégats permanents :

- le polymère doit avoir une LCST, i.e. il doit être insoluble lorsque la température est supérieure à une valeur seuil. Ceci permet de générer un potentiel attractif qui surmonte sans pour autant annihiler les interactions répulsives d’origine électrostatique entre les particules de silice,

- une fois précipité à la surface des particules de silice, la couche de polymère doit permettre aux silicates d’accéder à la surface de la silice et aux réactions d’hydrolyse et de condensation de se dérouler pour rendre les agrégats permanents.

Le caractère permanent des agrégats est la conséquence des variations de la solubilité de la silice avec la température et de l’hydrolyse et de la condensation constante de silicates à l’interface silice/eau. Ces réactions sont à l’origine du caractère permanent des agrégats de silice puisqu’elles permettent de lier deux particules adjacentes de manière covalente. Les couches de PNIPAM précipité ne contiennent pas d’eau, contrairement aux couches de POE, et ne facilitent donc pas

le transport ionique. Elles ne peuvent donc pas permettre au mécanisme de consolidation de se dérouler, aucun agrégat permanent n’a été obtenu.

Les agrégats obtenus avec les chaînes de POE sont bien alignés lorsque la force ionique est initialement faible et lorsqu’ils sont de petite taille. La courbe de diffusion de neutrons de ces agrégats, donnée dans le chapitre 5, peut ainsi être ajustée par le facteur de forme de 7 sphères alignées. Lorsque la taille des agrégats augmente, leur dimension fractale augmente et atteint 1,5. On forme donc a priori des objets constitués de petits agrégats linéaires agencés.

Le schéma d’agrégation permettant d’aboutir à cette dimension fractale décrit dans le chapitre 6 est donc différent des régimes universels modèles décrits dans la littérature [1-4]. La différence majeure entre nos systèmes et ceux décrits dans les études publiées provient de la coexistence d’un potentiel répulsif de longue portée généré par les charges des particules de silice et d’un potentiel attractif de courte portée généré par les chaînes de polymère précipité. En effet, en réduisant la portée des interactions répulsives par l’ajout de sel, la dimension fractale des agrégats augmente et atteint 1,95, valeur parfaitement cohérente avec les régimes universels d’agrégation.

Les agrégats se formant à des températures très élevées dans l’eau et sur un laps de temps élevé, il n’a pas été possible de suivre la formation des agrégats in situ. Les agrégats ont tous été caractérisés une fois les systèmes revenus à température ambiante. Il serait intéressant d’arriver à suivre la formation des agrégats et ainsi confirmer ou infirmer le schéma d’agrégation présenté dans le chapitre 6.

Le travail réalisé ici soulève également des questions sur le comportement des systèmes silice/polymère en fonction de la température qui restent en suspens. Ainsi, le chauffage de sols de silice doit certainement modifier le pH du milieu puisque les pKa des molécules d’acide silicique dépendent de la température. Le potentiel électrostatique de surface des particules de silice à 98°C doit donc aussi être différent de celui à température ambiante. Par ailleurs, la présence d’une couche de polymère précipité à la surface des particules de silice perturbe la distribution des contre-ions autour des particules chargées. Ceci doit modifier la portée des répulsions électrostatiques. Par ailleurs, nous ne savons pas si les chaînes de polymère se désorbent partiellement ou totalement lors du chauffage des systèmes silice/polymère puisque la liaison hydrogène, qui permet aux segments de polymère de s’adsorber sur les particules de silice, est énergétiquement faible. Tous ces aspects modifient la balance des forces entre les particules colloïdales.

Par ailleurs, il n’a pas été possible de mettre en évidence la nature du joint entre deux particules agrégées. Celui-ci peut être constitué soit de silice pure, soit d’un hybride silice/POE, comme le montrent les travaux de Melosh et al. [5,6].

Il n’a pas malheureusement pas été possible de répondre à ces questions. Pour tenter d’y répondre, l’idéal serait de travailler avec un système dans lequel le potentiel attractif, qui permet de surmonter le potentiel répulsif de longue portée nécessaire à l’alignement des particules, peut être généré sans augmenter fortement la température. Nous pourrions par exemple utiliser une famille de polymère, les Pluronic® (POP-b-POE-b-POP) qui ont une LCST contrôlée par la longueur respectives des blocs de poly(oxyde de propylène) et du bloc de poly(oxyde d’éthylène). L’inconvénient de ce type de polymère provient de la présence des blocs qui modifie la conformation des chaînes adsorbées et complexifie la compréhension du mécanisme de précipitation des chaînes.

L’obtention d’agrégats permanents à des températures plus faibles suppose également de trouver un mécanisme de consolidation qui se déroule à des températures plus faibles. Il ne pourra donc pas être basé simplement sur la dissolution d’une partie de la silice et son dépôt préférentiel aux joints de grain. On peut par exemple envisager l’ajout de silicates, mais ceci provoque une augmentation de la force ionique qui peut modifier la structure des agrégats. On peut aussi envisager de travailler avec un autre minéral qui a des propriétés chimiques similaires à celles de la silice mais grâce auquel on peut figer les agrégats de manière permanente à des températures inférieures à celle utilisée ici.

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RÉÉFFÉÉRREENNCCEESS

1. Meakin P., Physical Review Letter, 1983. 51(13). p. 1119-1122.

2. Lin M.Y., Lindsay H.M., Weitz D.A., et al., Journal of Physics-Condensed Matter, 1990. 2(13). p. 3093-3113.

3. Lin M.Y., Lindsay H.M., Weitz D.A., et al., Physical Review A, 1990. 41(4). p. 2005-2020. 4. Lin M.Y., Klein R., Lindsay H.M., et al., Journal of Colloid and Interface Science, 1990. 137(1). p. 263-280.

5. Melosh N.A., Lipic P., Bates F.S., et al., Macromolecules, 1999. 32(13). p. 4332-4342. 6. Melosh N.A., Davidson P., and Chmelka B.F., Journal of the American Chemical Society, 2000. 122(5). p. 823-829.

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2. LA DIFFUSION DE LUMIERE... 138