a. Profil de force pH=3
3.2.4.3. Réticulation d’un film préadsorbé dans 30mM NaNO3
La réaction de réticulation a été réalisée in situ dans la cellule d’AFM sur un film de Plys23 -PAA19-Plys23 préalablement adsorbé pendant deux heures dans 30 mM de NaNO3 puis rincé.
a. Cinétique
0,1
1
10
100
0 20 40 60
Réticulation 1h Réticulation 1h30 Réticulation 2h-20hD
é
flecti
on du canti
lever (nm)
Distance, D (nm)
Figure III-29 : Profil de force en compression mesuré par AFM sur un film de Plys23-PAA19-Plys23 pendant la réaction de réticulation à pH 5 après différents temps de réaction : 1h (cercles ouverts), 1h30 (carrés ouverts) ; 2h-20h (losange)
La figure III-29 présente l’évolution des profils de force en compression en fonction du temps de réticulation. Nous observons qu’avec le temps, la force à longue portée est de plus en plus en plus intense et que sa portée augmente. Le saut adhésif précédemment observé à 6 nm est
1
2
3
toujours présent après une heure de réticulation (profil 1) mais disparaît 30 min plus tard (profil 2). A partir de deux heures de réticulation, les profils sont tous similaires aux profils 3.
a b
a b
Figure III-30 : Morphologie d’un film de Plys23-PAA19-Plys23 adsorbé sur une surface de mica dans 100mM de sel en fonction du temps de réticulation : après 1 h de réaction (a) et après 12h de réaction (b)
La cinétique de la réaction est aussi visible sur des images AFM mesurées sur un film de P19 cette fois-ci préadsorbé dans 100mM NaNO3 (condition la plus défavorable qui génère des agrégats sur les surfaces) (Figure III-30). La réaction de réticulation met en évidence les agrégats sur la surface dont le nombre est fonction du temps de réaction.
D’après ces résultats, nous pouvons dire que la réaction de réticulation a bien lieu. La cohésion du film adsorbé est renforcée car nous ne voyons plus d’instabilité d’adhésion comme c’était le cas avant la réaction.
Les profils de force donnent l’impression que de façon surprenante la réaction fait gonfler le film. En réalité, la surcouche est fortement renforcée par la réticulation, ce qui la rend moins compressible, plus difficilement indentable ou éjectable. La prolifération d’agrégats est elle aussi induite par la réticulation. Avant la réaction, leur cohésion sur la surface est plus faible, la pointe AFM peut les balayer ce qui est plus difficilement le cas après réaction.
b. Rinçage
0,01
0,1
1
10
100
0 20 40 60 80 100
Défl
e
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on
du can
til
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(
n
m)
Distance, D (nm)
Figure III-31 : Profil de force en compression mesurée par AFM après réticulation et rinçage à pH 3 d’un film de Plys23-PAA19-Plys23 . La droite discontinue correspond à un ajustement par une exponentielle, κ-1= 16 nm
La figure III-31 montre un profil de force en compression mesuré par AFM après réticulation et rinçage à pH 3 d’un film de Plys23-PAA19-Plys23 préalablement adsorbé dans 30mM de NaNO3. Ce profil présente deux régimes séparés par une petite instabilité vers 50 nm (2). Si nous prenons en compte l’hypothèse qu’un film multicouche de copolymères est également adsorbé sur la pointe d’AFM (Figure III-32), nous pouvons décrire ces régimes de la manière suivante :
1 2
3 4
• Régime 1 : Ce régime correspond à une répulsion à longue portée de type exponentielle. Il pourrait correspondre à l’interaction de double-couche entre les films de copolymères tribloc adsorbés sur le mica et la pointe (Figure III-32). A pH 3, ils sont chargés via les poly(L-lysines). La longueur de Debye mesurée, κ-1est de l’ordre de 16 nm ce qui est en accord avec le pH imposé (Figure III-31(a)).
• Instabilité 2 : Cette instabilité correspondrait alors à la mise en contact des deux films qui sont légèrement attractifs (Figure III-31(b) et Figure III-32). Au-delà des interactions de van der Waals nous pouvons supposer que des pontages PAA-Poly(L-lysine) se mettent en place, interaction d’association qui serait également à l’origine de la formation du gel en surcouche sur chaque surface. D’une position à une autre, l’instabilité est reproductible, et se produit à 45 ±5 nm.
• Régime 3 : Ce second régime à courte portée correspond à la compression des films de gel avec un léger décrochage vers 6 nm (zone identifiée 4 dans la Figure III-31). Cette petite attraction est cependant non-adhésive.
Figure III-32 : Illustration du profil de force mesuré en compression : (a) approche de la pointe avec un film adsorbé, il existe une répulsion électrostatique entre les deux films (b) les deux « gels » entrent en contact, il se produit une légère adhésion. La sous-couche dense est représentée en rouge et le gel en rose
b a
Les profils de force en décompression de ces films réticulés ont également été étudiés, un exemple est donné sur la Figure III-33:
-40
-20
0
20
40
60
80
0 50 100 150 200 250
D
é
flec
tio
n
d
u
ca
nt
ilev
e
r
(n
m
)
Distance, D (nm)
Figure III-33 : Profil de force en décompression mesurée par AFM après réticulation et rinçage à pH 3 d’un film de Plys23-PAA19-Plys23
Là encore plusieurs zones sont identifiables : 1
2 3
• L’attraction mesurée sur le profil de compression est retrouvée à 2 nm (zone1).
• Le régime 2 correspond à la décompression des films qui sont légèrement adhésifs et mous. Il est donc possible de les étirer au-delà de deux fois leur épaisseur au repos (Figure III-33), qui avait été mesuré d’environ 50 nm lors de la mise en contact sur le profil de force en compression.
• Le régime 3, plus ou moins reproductible d’une mesure à l’autre est caractérisé par un saut avec souvent un pontage persistant avant la séparation totale des deux surfaces qui intervient vers 200 nm dans la figure III-33. Nous pouvons imaginer que des fibrilles de matériaux sont étirées lors de ce régime comme représenté sur la figure III-34, sans pour autant endommager les films puisque le même profil en compression que celui de la figure III-31 est retrouvé quand les surfaces sont de nouveau comprimées. Ceci indiquerait alors que la réticulation n’a pas été suffisante pour obtenir un gel homogène.
Figure III-34 : Illustration du phénomène d’étirement : la pointe entraine de la matière en décompression, créant des instabilités au niveau des profils de force.
Ainsi, il est vraisemblable que la réticulation ait partiellement figé un film de copolymère sur la pointe AFM. Ceci est visible en milieu acide par l’interaction électrostatique à longue portée entre les deux mêmes films chargés. Au contact, ils sont légèrement adhésifs et mous, ils forment des fibrilles quand ils sont séparés, signifiant que le gel est seulement partiellement réticulé. Cette hypothèse de film adsorbé sur la pointe AFM sera confirmée plus tard par les profils de force mesurés avec le SFA, qui dans des conditions de contact symétrique sont complètement identiques à ceux mesurés par AFM. Nous allons maintenant voir comment se traduit la réaction de réticulation sur les images d’AFM.
La réaction de réticulation induit un changement au niveau des images d’AFM du film adsorbé comme nous pouvons le voir sur la figure III-36. L’effet de la réticulation est visible principalement sur les images à petites échelles (500nmx500nm (a) et (c)), notamment par une structuration apparente de la couche. Cette structuration atteste de la réticulation du film. Elle est cependant difficile à interpréter car nous imageons ici un gel comprimé avec une pointe a priori elle-même recouverte d’un film réticulé (Figure III-35).
Figure III-35 : Représentation de la compression du gel présent sur la surface et sur la pointe.
A grande échelle (Figure III-36 b et d) la réticulation met en évidence la présence d’agrégats de 200 nm de diamètre et 3 nm de hauteur environ sur la surface, ils sont cependant en faible nombre par rapport à ce que nous observions pour un film préalablement adsorbé dans 100 mm NaNO3 (Figure III-30). Ils ne sont pas balayés même après rinçage ou un passage répété de la pointe. 1.6µm 100nm 100nm 1.6µm d b c a
Figure III-36 : Morphologie d’un film de Plys23-PAA19-Plys23 préalablement adsorbé sur une surface de mica dans 30mM de sel puis rincé à pH 3 avant (a, et b) et après (c et d) réticulation à différentes échelles : 500 nmx500 nm (a et c) et 8µmx8µm (b et d). Les cercles dans (d) localisent des agrégats.
Ainsi l’étude par AFM a montré que les films adsorbés avec du sel forment des gels moléculaires d’épaisseur de quelques monocouches (à 30 mm, il y a environ l’équivalent de 6 à 8 monocouches adsorbées). Cependant la sous-couche directement adsorbée est plutôt dense et homogène comme le montre les images AFM. Il s’agit sûrement d’une bicouche auto-assemblée. Celle-ci est recouverte d’une autre couche de copolymères peu ou pas structurée comme un gel physique. Sa création dépend fortement de la force ionique. Pour des forces ioniques importantes, il y a même certainement une adsorption des agrégats en solution, le copolymère P12 y est d’ailleurs très sensible.
La réaction de réticulation a été testée et elle a bien eu lieu. Elle transforme le « gel physique » en un gel chimique compressible et plus cohésif qu’avant la réticulation. Cependant, la densité de réticulation doit être limitée. En effet, avec la pointe AFM il est possible d’indenter assez profondément le film et lors de la rétractation, des fibrilles peuvent être étirées. Cette densité de réticulation est suffisante pour qu’une cicatrisation des zones indentées soit rapide et que des agrégats puissent être définitivement immobilisés sur le film. D’après ces résultats, il parait judicieux de bien choisir les conditions expérimentales pour réaliser l’expérience avec le SFA. Nous avons choisi d’étudier le film préadsorbé à 30mM de NaNO3 car la couche est homogène avant et après réticulation, avec très peu d’agrégats.