Projet ANR-13-JS08-0009 – ChemMicroMan : Fonctionnalisation de Surfaces par des Polymères pour améliorer la Manipulation de Micro-Objets
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Boris LAKARD (Univers, Transport, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules )
Partenaires : Univers, Transport, Interfaces Nanostructures, Atmosphère et Environnement, Molécules
Montant : 189500.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Fonctionnalisation de Surfaces par des Polymères pour améliorer la Manipulation de Micro-ObjetsLe projet ChemMicroMan vise à développer des stratégies chimiques originales basées sur la fonctionnalisation de substrats par des polymères (polyélectrolytes ou polymères électrodéposés), afin de montrer qu'il est possible d'effectuer avec succès des opérations de micromanipulation en milieu liquide pour des applications en robotique.
Elaboration de films minces polymères pour des applications dans le domaine de la micromanipulation en milieu liquideLes objectifs scientifiques détaillés du projet ChemMicroMan consistent en:-la synthèse de monomères organiques originaux,-la polymérisation électrochimique de ces monomères originaux en vue de déposer des couches minces adhérentes de quelques micromètres d'épaisseur,-l’élaboration d’assemblages de films multicouches de polyélectrolytes permettant d’adsorber réversiblement des micro-objets en silicium,-la caractérisation des propriétés des polymères élaborés: nature chimique, morphologie, rugosité de surface, épaisseur, croissance in situ,-la micromanipulation de micro-objets en milieu liquide.
Utilisation de l'électrochimie et de l'auto-assemblage de polymères comme moyen de fonctionnalisations pour des applications en micromanipulationAfin de greffer les polymères appropriés à la surface de substrats destinés à la micromanipulation, nous avons utilisé successivement:-la polymérisation électrochimique, en milieux aqueux et non-aqueux, de monomères dérivés du pyrrole et de l'aniline (synthétisés par voie organique dans le cadre du projet). Ceci nous a permis d'obtenir un nombre important de dérivés de la polyaniline et du polypyrrole qui se présentent sous le forme de dépôts solides de quelques micromètres d'épaisseur;-la préparation de films multicouches de polyélectrolytes par auto-assemblage selon la technique dite couche par couche. Des assemblages de polyélectrolytes reposant sur des interactions électrostatiques ont été réalisés, de même que des autoassemblages reposant sur des liaisons hydrogène et permettant d’adsorber réversiblement des micro-objets en silicium;-la caractérisation des surfaces modifiées par ces polymères en utilisant des techniques spectroscopiques (infrarouge), microscopiques (MEB, AFM), optiques (réflectométrie, ellipsométrie, profilométrie) et gravimétriques (microbalance à quartz dissipative),-la micromanipulation de micro-objets en milieu liquide au moyen de préhenseurs modifiés par des polymères fait actuellement l'objets de travaux.
Résumé de la soumission : La micromanipulation est une voie prometteuse afin d’assembler des microcomposants dans le but de produire une nouvelle génération de systèmes microélectromécaniques hybrides (MEMS). En vue d’obtenir une bonne reproductibilité dans le positionnement de micro-objets (dans un domaine de taille allant de 5 à 50 µm), des outils tels que des micro-pinces sont généralement utilisés. Toutefois, à l’échelle de quelques micromètres, l’adhésion entre la pince et l’objet perturbe considérablement le positionnement et le lâcher des micro-objets. Afin d’agir sur les forces d’adhésion entre pince et objet, une stratégie alternative consiste en la fonctionnalisation chimique des éléments mis en jeu, ce qui permet de jouer sur la composition chimique, la rugosité, le caractère hydrophile/hydrophobe ou encore la charge de surface de chaque élément. Ainsi, tous ces paramètres doivent être précisément contrôlés pour pouvoir développer et optimiser des stratégies chimiques menant à une manipulation précise et fiable.Notre objectif dans ce projet est donc de mettre en oeuvre des fonctionnalisations chimiques afin de promouvoir des applications dans le domaine de la micromanipulation. Les principales étapes qui devront être réalisées, du point de vue manipulation, seront: la capture du micro-objet par la pince fonctionnalisée, son déplacement, puis le lâcher du micro-objet sur la surface, et finalement le collage du micro-objet sur la surface également fonctionnalisée. Par conséquent, la capture du micro-objet devra être réversible afin de pouvoir ensuite réaliser son lâcher, tandis que le collage devra être irréversible afin de pouvoir positionner de manière permanente le micro-objet sur la surface.Afin de réaliser ces tâches, nous proposons des stratégies basées sur la fonctionnalisation de surfaces par des polymères. Ainsi, la capture de l’objet sera réalisée au moyen d’une pince préalablement fonctionnalisée par des assemblages de polyélectrolytes. En effet, les polyélectrolytes constituent des matériaux intéressants pour cette application en raison de leur densité de charges élevée qui doit permettre la création d’interactions attractives entre la pince et l’objet permettant l’adhésion de l’objet. Puis, par une modification du pH de la solution dans laquelle la pince et l’objet sont immergés, il sera possible de renverser les interactions entre la pince fonctionnalisée par les polyélectrolytes et l’objet afin de rendre ces interactions répulsives, et ainsi obtenir le lâcher du micro-objet. Ensuite, le collage irréversible du micro-objet sur la surface sera réalisé grâce à l’utilisation de polymères électrodéposés. En effet, la fonctionnalisation d’une surface par des polymères électrodéposés se traduit généralement par une forte interaction entre le polymère modifiant la surface et l’objet.La nature des polyélectrolytes et des polymères électrodéposés choisis est déterminante pour ce projet. En ce qui concerne les assemblages de polyélectrolytes, l’accent sera mis sur les polypeptides naturels car ils possèdent à la fois des fonctions de charge positive et de charge négative dans leur structure. D’autres assemblages polycations/polyanions, reposant soit sur des interactions électrostatiques soit sur la formation de liaisons hydrogène, seront testés. En ce qui concerne les polymères électrodéposés, de nouvelles synthèses organiques et électrochimiques seront réalisées afin d’obtenir des polymères possédant des fonctions terminales intéressantes pour l’application visée (polypyrroles fonctionnalisés par des fonctions acides carboxyliques, acides polyaminobenzoïques et polysulfures originaux électrosynthétisés en solutions non-aqueuses).En conclusion, l’objectif du projet ChemMicroMan est donc de développer des stratégies chimiques originales, basées sur la fonctionnalisation par des polymères, afin de démontrer la pertinence d’un nouveau principe de micromanipulation de micro-objets en milieu liquide.
Résultats : Parmi les faits marquants, on peut citer :
-la synthèse d’une série de dérivés du pyrrole et de l’aniline originaux,
-le dépôt électrochimique de films polymères originaux et leur caractérisation,
-l’auto-assemblage de films multicouches par liaisons hydrogène et surtout l’utilisation de méthodes originales pour les caractériser,
-et surtout l’adsorption puis la désorption de billes de borosilicates sur des films multicouches par simple modification du pH du milieu.
Perspectives : Récemment nous avons montré qu'il est possible de déposer des billes de borosilicates sur des films multicouches de polyélectrolytes reposant sur des liaisons hydrogène, puis par simple augmentation de pH, de les désorber. Nous allons maintenant essayer de nous inspirer de cette expérience afin de fonctionnaliser un préhenseur de robotique au moyen d'un film multicouches similaire et d'attraper avec ce préhenseur un objet en silicium (en milieu liquide) avant de le relâcher par augmentation du pH de la solution.
Parallèlelement, nous avons déposé un certain nombre de polymères conducteurs dont certains semblent être adhésifs et pourraient permettre une adsorption irréversible d'objets en silicium. Nos travaux futurs visent à confirmer qu'il est réellement possible d'adsorber irréversiblement ces objets, y compris lorsqu'ils sont immergés dans un milieu liquide dont le pH peut être modifié.
Une fois ces deux points résolus il serait alors possible d'attraper un objet, de le relâcher (par modification du pH du milieu) en un endroit où serait déposer un polymère électrodéposé très adhérent de façon à le fixer définitivement.
Publications et brevets : [ACL] T. Vrlinic, C.C. Buron, S. Lakard, J. Husson, P. Rougeot, M. Gauthier, B. Lakard, Evaluation of adhesion forces for the manipulation of micro-objects in submerged environment through deposition of pH responsive polyelectrolyte layers, soumise à Langmuir.
[Com] C.C. Buron, T. Vrlinic, P. Rougeot, S. Lakard, M. Gauthier, B. Lakard, Reversible adhesion between an AFM tip and a polyelectrolyte multilayer modified substrate for micro-object micromanipulation, Layer-by-Layer Assemblies : Sciences and Technology Conference, New York, USA (2014).
[Com] T. Vrlinic, C. Buron, S. Lakard, J. Husson, P. Rougeot, M. Gauthier, B. Lakard, Modification of microtweezers for controlled manipulation of objects in liquid media, 42èmes Journées d’Etude des Polymères, Obernai (2014).