Academic literature on the topic 'Physico-Chemistry of interfaces'

A modern environmental safety approach requires the implementation of green or sustainable strategies, such as banning or significantly lowering the presence of harmful substances on the market or in the industrial environment. To date, the majority of highly performing solutions are still based on fluorine chemistry, even with a growing effort to lower its impact. Economic costs, but also persistence, long-term degradation, and transformation in the environment can raise issues about medium- and long-term effects on human health and wildlife. Coatings with high water and oil repellence are used worldwide in daily life and in industrial and research fields, such as self-cleansing, anti-icing, and anti-biofouling. The combination of a particular geometry or surface structure and low-energy materials results in unique properties related to a range of materials in natural or synthetic categories aiming to build, when possible, a fluorine-free world. This work revises recent and key literature to propose valid alternatives to fluoro compounds in terms of water and oil repellence, as well as stability and resistance to physico-chemical agents. In this paper, natural compounds like fatty acids and waxes are addressed together with more synthetic systems like silicon-based solutions, and polymeric and inorganic nanostructured coatings. Most of the revised papers deal with topics fulfilling environmental requirements but are mainly restricted to highly repellent water and aqueous systems. Nevertheless, new and sustainable strategies for providing suitable, highly oleophobic surfaces to lower fluorine presence have been reported from a small but growing body of literature.

We consider the wetting of water droplets on substrates with different chemical composition and molecular spacing, but with an identical equilibrium contact angle. A combined approach of large-scale molecular dynamics simulations and a continuum phase field model allows us to identify and quantify the influence of the microscopic physics at the contact line on the macroscopic droplet dynamics. We show that the substrate physico-chemistry, in particular hydrogen bonding, can significantly alter the flow. Since the material parameters are systematically derived from the atomistic simulations, our continuum model has only one adjustable parameter, which appears as a friction factor at the contact line. The continuum model approaches the atomistic wetting rate only when we adjust this contact line friction factor. However, the flow appears to be qualitatively different when comparing the atomistic and continuum models, highlighting that non-trivial continuum effects can come into play near the interface of the wetting front.

For decades intense research efforts have been aimed at increasing energy densities with new rechargeable lithium battery (RLB) designs to meet the anticipated increasing energy storage demands. These efforts have yielded much higher capacities with novel materials. However, the theoretical capacity of an RLB cell is seeded in the structure of the electrode, while its practical capacity, performance, cycle life, and safety are deep-rooted in the side reactions at the interphase between electrode and electrolyte (interphase is the phase at the electrode-electrolyte interface) 1,2. Interphases are essential for the operation of the cells and have been widely recognized as the "most important and the least understood" components of RLBs3. While their characteristics determine their performance, they are not part of the design of RLBs, but only form during the cell operation on the anodes and cathodes. They constitute passivation layers with mixed chemistries due to the electrolytes' electrochemical stability window (ESW) being smaller than the operating potential of RLBs. Although interphase formation is of functional importance, its formation imposes a heavy price on the cell's performance. Formation of the interphase consumes the electrolyte and active lithium stored in the cathode and causes a dramatic capacity loss, especially in the initial charge/discharge cycles. Also, the presence of the interphase introduces a high level of impedance to the cell, which interrupts the fast and constant flow of Li-ion between the anode and cathode. Last but not least, interphase is an active and complex medium that changes its chemical composition and transport properties during charge/discharge cycling and storing conditions. This results in a constant evolution of the interphase and capacity fading, which is more prominent in the high cell voltage applications. Achieving high cell voltage by increasing the cut-off voltage of LiNi x Co y Mn1−x−y O2 cathode (NMC) materials to 4.5 V is an effective way to enhance the energy density of RLBs4. However, a high level of parasitic and decomposition reactions result in severe capacity fading of the battery cell5. Many efforts have been made to improve the properties of the cathode interphase at high cut-off voltage by incorporating different strategies. The in vivo approach is one of the more successful attempts to design the cathode interphase by incorporating film-forming additives in electrolytes to suppress parasite reactions at the electrode-electrolyte interface6-8. In an ideal case, this film should be stable with cycling and have excellent conductivity for Li+ ions and low electronic conductivity9. Thiophene-based molecules are investigated as effective film-forming on NMC at high cut-off voltages of 4.5 V vs. Li/Li+. Electrochemical investigations show that thiophene oxidizes before carbonate-based electrolytes and forms a stable interphase with high conductivity for Li-ion. Also, the electrochemical performance of the cell is enhanced significantly in the presence of thiophene additive with capacity retention of 95% after 100 cycles (75% capacity retention of the benchmark system). To reveal the underlying mechanisms of the interphase formation and thiophene working principle on the surface of NMC cathode, we performed operando near-field Raman spectroscopy. The Raman and electrochemistry results indicate that a poly-thiophene film is formed that covers the surface of the cathode active materials uniformly, protecting further oxidation of the electrolyte and preventing transition metal dissolution and decomposition of the active cathode materials. (1) Freunberger SA Nature Chemistry 2019, 11, 761. (2) Yang Y, Yan C, Huang JQ Acta Physico-Chimica Sinica 2021, 37. (3) Winter M Zeitschrift Fur Physikalische Chemie-International Journal of Research in Physical Chemistry & Chemical Physics 2009, 223, 1395. (4) Fergus JW Journal of Power Sources 2010, 195, 939. (5) Yan GC, Li XH, Wang ZX, Guo HJ, Wang C Journal of Power Sources 2014, 248, 1306. (6) Zhang L, Zhang ZC, Wu HM, Amine K Energy & Environmental Science 2011, 4, 2858. (7) Liu QY, Yang GJ, Li SW, Zhang SM, Chen RJ, Wang ZX, Chen LQ Acs Applied Materials & Interfaces 2021, 13, 21459. (8) Zhu XB, Schulli T, Wang LH Chemical Research in Chinese Universities 2020, 36, 24. (9) Xu K Chemical Reviews 2014, 114, 11503.

AbstractSolution chemistry is commonly regarded as the physical chemistry of reactions and chemical equilibria taking place in the bulk of a solvent, and between solutes in solution, and solids or gases in contact with the solution. Our knowledge about such reactions and equilibria in aqueous solution is very detailed such as their physico–chemical constants at varying temperature, pressure, ionic medium and strength. In this paper the solution chemistry in the surface region of aqueous solutions, down to ca. 10 Å below the water–air interface, will be discussed. In this region, the density and relative permittivity are significantly smaller than in the aqueous bulk strongly affecting the chemical behaviour of solutes. Surface sensitive X-ray spectroscopic methods have recently been applicable on liquids and solutions by use of liquid jets. This allows the investigation of the speciation of compounds present in the water–air interface and the surface region, a region hardly studied before. Speciation studies show overwhelmingly that neutral molecules are accumulated in the surface region, while charged species are depleted from it. It has been shown that the equilibria between aqueous bulk, surface region, solids and/or air are very fast allowing effective transport of chemicals over the aqueous surface region.

The interface between natural fibers and thermoplastic matrices is studied, in which fiber-matrix wetting analysis and interfacial adhesion are investigated to obtain a systematic understanding of the interface. In wetting analysis, the surface energies of the fibers and the matrices are estimated using their contact angles in test liquids. Work of adhesion is calculated for each composite system. For the interface tests, transverse three point bending tests (3PBT) on unidirectional (UD) composites are performed to measure interfacial strength. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization on the fibers is also carried out to obtain more information about the surface chemistry of the fibers. UD composites are examined to explore the correlation between the fiber-matrix interface and the final properties of the composites. The results suggest that the higher interfacial adhesion of the treated fiber composites compared to untreated fiber composites can be attributed to higher fiber-matrix physico–chemical interaction corresponding with the work of adhesion.

La récupération améliorée du pétrole ("Enhanced Oil Recovery : EOR") regroupe diverses techniques ayant pour objectif d'augmenter le rendement de l'extraction de pétrole brut. Parmi elles, l'injection d'eau peu salée ("Low Salinity Waterflooding") est utilisée depuis plus de 20 ans et a démontré une efficacité additionnelle de 5 à 20 %. Une des hypothèses expliquant ce phénomène repose sur l'osmose qui est un mécanisme de diffusion d'un solvant à travers une membrane semi-perméable afin d'équilibrer son potentiel chimique de part et d'autre de cette dernière. Durant ces travaux de thèse, des systèmes expérimentaux ont été élaborés afin de mettre en évidence le flux d'eau à travers une membrane huileuse soumise à un gradient de potentiels chimiques. Un premier dispositif est constitué d'un capillaire en verre scellé où un ménisque d'huile sépare deux réservoirs d'eau ayant une concentration en solutés différente. Le déplacement de ce dernier est suivi au cours du temps nous permettant de quantifier le flux d'eau à travers le ménisque. Cette configuration simple nous a permis d'étudier des huiles de différentes natures et de modifier la concentration en soluté dans les phases aqueuses ou bien la température. Des formulations plus complexes avec des composés typiques du pétrole comme les asphaltènes ou bien des tensioactifs ont aussi été explorées mettant en lumière d'autres phénomènes de transport de molécules d'eau avec un impact sur la vitesse de déplacement de l'huile. Nous avons entre autres observé la nucléation de gouttes d'eau dans la phase organique qui sont ensuite auto-propulsées sous l’effet du gradient de potentiel chimique. Ce dispositif a également permis de quantifier le flux d'eau à travers des pétroles bruts fournis par Total. Afin de se rapprocher d'un système réel, nous avons développé un dispositif microfluidique pour modéliser un milieu poreux. Ce système est composé de microcavités piégeant de la saumure séparée d'un réservoir d'eau peu salée par une fine couche d'huile. Ainsi, nous avons pu déterminer des temps de rupture de ces poches d'huile gonflée sous pression osmotique en fonction de différents paramètres (volume d'huile, salinité de l'eau d'immersion et de la saumure) mais également d'étudier l'influence du mouillage sur les mécanismes d'expulsion de l'huile
Enhanced Oil Recovery (EOR) gathers various techniques to increase the efficiency of crude oil extraction. Among them, the Low-Salinity Waterflooding (LSW) has been used for more than 20 years and has demonstrated an additional efficiency of 5 to 20%. One of the hypotheses explaining this phenomenon rests on osmosis, which is a diffusion mechanism of a solvent through a semi-permeable membrane in order to balance chemical potential on both sides. During this thesis, experimental systems were developed in order to highlight the water flux through an oily membrane when subjected to a gradient of chemical potential. A first device consists of a sealed glass capillary where an oil meniscus separates two water reservoirs with a different solute concentrations. The meniscus movement is monitored over time, allowing to quantify the flow of water through the meniscus. This simple configuration gave us the opportunity to study differents kinds of and to modify the solute concentration in the aqueous phases or the temperature. More complex formulations with typical petroleum compounds such as asphaltenes or surfactants have also been explored, highlighting other water transport phenomena with an impact on the movement speed of the oil. Among other things, we observed the nucleation of drops of water in the organic phase which are then self-propelled under the effect of the chemical potential gradient. This device also made possible to quantify the flow of water through crude oils supplied by Total. In order to get closer to a real system, we developed a microfluidic device to model a porous medium. This system is composed of microcavities containing brine and separated from a low salinity reservoir with a thin oil layer. Thus, we have been able to determine the breaking times of these oil pockets inflated by osmotic pressure according to different parameters (oil volume, salinity of the immersed water and brine) but also to study the influence of the wetting properties on the mechanisms for expelling the oil

La protection de surfaces métalliques contre la corrosion, la lubrification entre pièces métalliques en contact tribologique, la bio-compatibilisation de métaux non nobles à des fins médicales, le collage entre surfaces métalliques, sont, pour ne citer que les plus importants, les débouchés multiples auxquels ont conduit depuis plusieurs années maintenant, les recherches développées dans le domaine de la science des surfaces et plus particulièrement, les études menées sur la compréhension des interactions entre molécules organiques et surfaces métalliques. Les travaux menés au Laboratoire de Chimie des Surfaces et des Interfaces s'inscrivent dans cette thématique. L'électrogreffage de monomères vinyliques en milieu organique contrôlé garantit une interface métal/polymère robuste, et offre une capacité de fonctionnalisation «à façon » du film de polymère greffé, servant en quelque sorte de « velcro moléculaire » multi-usages, ouvrant ainsi la porte à des transferts technologiques variés. Ces résultats sont le fruit de la jonction entre les compétences du chimiste de synthèse et du surfaciste et répondent à une demande technologique croissante : des surfaces aux propriétés pilotables. D'une façon plus générale, comprendre les mécanismes interfaciaux, c'est aussi être capable de caractériser, quasi à l'échelle moléculaire, les antagonistes réactionnels. C'est pourquoi différents travaux couplant réacteurs sous ultra-vide et analyses de surfaces, microscopies en champ proche ont été développés ou sont en cours de développement.

La coalescence joue un rôle fondamental dans de nombreux procédés industriels tels que l’extraction liquide-liquide. Il s’agit d’un phénomène multi-échelle complexe qui repose sur l'interaction entre des gouttes déformables, parfois soumises à un écoulement. Comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’extraction liquide-liquide est nécessaire au développement et à l’optimisation des procédés de traitement et de recyclage dans l’industrie nucléaire. Toutefois, le processus de coalescence reste à ce jour mal compris, en particulier à l’échelle nanométrique. Dans cette thèse, la coalescence est étudiée à l’échelle moléculaire par le biais de simulations de dynamique moléculaire, dans le but de faire le lien entre les différentes échelles. Pour répondre à cet objectif, plusieurs axes de travail sont développés.Le premier axe porte sur l'interaction entre une pointe AFM et un film liquide déposé sur un substrat. Il s'agit d'un cas simple en comparaison de la coalescence liquide-liquide, car une des gouttes (la pointe AFM) est rigide, et le milieu intermédiaire est gazeux. Les résultats montrent que les fluctuations de surface provoquent une instabilité de la déformation de l'interface et sont à l'origine du phénomène de saut (en anglais jump to contact) par lequel le liquide entre en contact avec la pointe. Nos résultats, sur un système observable expérimentalement, ont confirmé la validité et les limites des modèles continus, ne rendant pas compte des fluctuations, pour la description de phénomènes aux interfaces observés en AFM, et plus généralement pour la coalescence.Le second axe porte sur l’étude du drainage du film interfacial. Une approche originale est proposée, dans laquelle des couches planes d'eau et d'heptane sont construites et empilées en conditions périodiques. Les deux liquides sont soumis à des forces d'écoulement de sens opposés. Les profils de vitesse obtenus dans les simulations de dynamique moléculaire permettent de rendre compte de la viscosité effective des films confinés entre deux phases liquides et d'étudier le glissement aux interfaces. Nos résultats montrent qu'il y a un glissement important à l'interface liquide-liquide, que ce soit de l'eau sur l'heptane ou de l'heptane sur l'eau. Le rapport des longueurs de glissement est égal au rapport des viscosités des deux liquides. Ce glissement présent aux interfaces liquide-liquide joue un rôle important lors de la coalescence, puisqu'il accélère le drainage du film.Enfin, nous étudions les effets stochastiques contrôlant la formation du pont liquide à travers une série de simulations de coalescence de gouttes d'heptane dans l'eau. La boîte de simulation est la même dans chaque cas, mais une perturbation aléatoire est introduite par l'instabilité de Lyapunov, permettant d'imposer des états initiaux très proches mais des trajectoires divergentes. À partir de cette série de simulations nous avons établi que la probabilité de coalescence en fonction du temps suit une loi de Poisson.En résumé, nous avons proposé une description originale de la coalescence à l'échelle moléculaire à l'aide d'un modèle probabiliste décrivant le temps de coalescence et d'un modèle hydrodynamique décrivant le drainage à l'échelle moléculaire. Notre étude ouvre de nombreuses perspectives pour la simulation de la coalescence dans les approches continues utilisées en mécanique des fluides et en génie des procédés. Elle est également applicable à d'autres problèmes physiques dont la cinétique est gouvernée par l'échelle moléculaire
Coalescence plays a fundamental role in many industrial processes such as liquid-liquid extraction. It is a complex multi-scale phenomenon that relies on the interaction between deformable droplets that might be subjected to a flow. Understanding the phenomena involved in liquid-liquid extraction is necessary for the development and the optimization of treatment and recycling processes in the nuclear industry. However, the coalescence process remains poorly understood, especially at the nanoscale. In this thesis, coalescence is studied at the molecular scale by means of molecular dynamics simulations in order to connect the different scales. To that aim, several axes of work are developed.The first axis deals with the interaction between an AFM tip and a liquid film deposited on a substrate. This is a simple case compared to the liquid-liquid coalescence because one of the droplets (the AFM tip) is rigid, and the intermediate medium is gaseous. The results show that the surface fluctuations cause an instability of the interface deformation and are responsible of the jump-to-contact phenomenon in which the liquid enters in contact with the tip. Our results, on an experimentally observable system, have confirmed the validity and the limitations of continuous models. These models do not account for fluctuations, for the description of phenomena at the interfaces observed in AFM, but more generally for coalescence.The second axis concerns the study of the drainage of the interfacial film. An original approach is proposed, in which planar layers of water and heptane are constructed and stacked under periodic conditions. The two liquids are subjected to flows in opposite directions. The velocity profiles obtained in the molecular dynamics simulations are used to assess the effective viscosity of films confined between two liquid phases and to study the slip at the interfaces. Our results show that there is a significant slip at the liquid-liquid interface. The values of the slip lengths are related to the respective viscosities of the two liquids. This slip located at the liquid-liquid interfaces plays an important role during coalescence since it accelerates the film drainage.Finally, we study the stochastic effects controlling the formation of the liquid bridge through a series of simulations of coalescence of heptane drops in water. The simulation box is the same in each case, but a random perturbation is introduced by the Lyapunov instability, allowing the obtention of a set of closely related initial states having divergent trajectories. From this series of simulations we have established that the probability of coalescence as a function of time follows a Poisson distribution.In summary, we have proposed an original description of coalescence at the molecular scale using a probabilistic model describing the coalescence time and a hydrodynamic model describing the drainage at the molecular scale. Our study opens many perspectives for the simulation of coalescence in continuous approaches used in fluid mechanics and chemical engineering. It is also applicable to other physical problems whose kinetics are governed by the molecular scale

La coalescence joue un rôle fondamental dans de nombreux procédés industriels tels que l’extraction liquide-liquide. Il s’agit d’un phénomène multi-échelle complexe qui repose sur l'interaction entre des gouttes déformables, parfois soumises à un écoulement. Comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’extraction liquide-liquide est nécessaire au développement et à l’optimisation des procédés de traitement et de recyclage dans l’industrie nucléaire. Toutefois, le processus de coalescence reste à ce jour mal compris, en particulier à l’échelle nanométrique. Dans cette thèse, la coalescence est étudiée à l’échelle moléculaire par le biais de simulations de dynamique moléculaire, dans le but de faire le lien entre les différentes échelles. Pour répondre à cet objectif, plusieurs axes de travail sont développés.Le premier axe porte sur l'interaction entre une pointe AFM et un film liquide déposé sur un substrat. Il s'agit d'un cas simple en comparaison de la coalescence liquide-liquide, car une des gouttes (la pointe AFM) est rigide, et le milieu intermédiaire est gazeux. Les résultats montrent que les fluctuations de surface provoquent une instabilité de la déformation de l'interface et sont à l'origine du phénomène de saut (en anglais jump to contact) par lequel le liquide entre en contact avec la pointe. Nos résultats, sur un système observable expérimentalement, ont confirmé la validité et les limites des modèles continus, ne rendant pas compte des fluctuations, pour la description de phénomènes aux interfaces observés en AFM, et plus généralement pour la coalescence.Le second axe porte sur l’étude du drainage du film interfacial. Une approche originale est proposée, dans laquelle des couches planes d'eau et d'heptane sont construites et empilées en conditions périodiques. Les deux liquides sont soumis à des forces d'écoulement de sens opposés. Les profils de vitesse obtenus dans les simulations de dynamique moléculaire permettent de rendre compte de la viscosité effective des films confinés entre deux phases liquides et d'étudier le glissement aux interfaces. Nos résultats montrent qu'il y a un glissement important à l'interface liquide-liquide, que ce soit de l'eau sur l'heptane ou de l'heptane sur l'eau. Le rapport des longueurs de glissement est égal au rapport des viscosités des deux liquides. Ce glissement présent aux interfaces liquide-liquide joue un rôle important lors de la coalescence, puisqu'il accélère le drainage du film.Enfin, nous étudions les effets stochastiques contrôlant la formation du pont liquide à travers une série de simulations de coalescence de gouttes d'heptane dans l'eau. La boîte de simulation est la même dans chaque cas, mais une perturbation aléatoire est introduite par l'instabilité de Lyapunov, permettant d'imposer des états initiaux très proches mais des trajectoires divergentes. À partir de cette série de simulations nous avons établi que la probabilité de coalescence en fonction du temps suit une loi de Poisson.En résumé, nous avons proposé une description originale de la coalescence à l'échelle moléculaire à l'aide d'un modèle probabiliste décrivant le temps de coalescence et d'un modèle hydrodynamique décrivant le drainage à l'échelle moléculaire. Notre étude ouvre de nombreuses perspectives pour la simulation de la coalescence dans les approches continues utilisées en mécanique des fluides et en génie des procédés. Elle est également applicable à d'autres problèmes physiques dont la cinétique est gouvernée par l'échelle moléculaire
Coalescence plays a fundamental role in many industrial processes such as liquid-liquid extraction. It is a complex multi-scale phenomenon that relies on the interaction between deformable droplets that might be subjected to a flow. Understanding the phenomena involved in liquid-liquid extraction is necessary for the development and the optimization of treatment and recycling processes in the nuclear industry. However, the coalescence process remains poorly understood, especially at the nanoscale. In this thesis, coalescence is studied at the molecular scale by means of molecular dynamics simulations in order to connect the different scales. To that aim, several axes of work are developed.The first axis deals with the interaction between an AFM tip and a liquid film deposited on a substrate. This is a simple case compared to the liquid-liquid coalescence because one of the droplets (the AFM tip) is rigid, and the intermediate medium is gaseous. The results show that the surface fluctuations cause an instability of the interface deformation and are responsible of the jump-to-contact phenomenon in which the liquid enters in contact with the tip. Our results, on an experimentally observable system, have confirmed the validity and the limitations of continuous models. These models do not account for fluctuations, for the description of phenomena at the interfaces observed in AFM, but more generally for coalescence.The second axis concerns the study of the drainage of the interfacial film. An original approach is proposed, in which planar layers of water and heptane are constructed and stacked under periodic conditions. The two liquids are subjected to flows in opposite directions. The velocity profiles obtained in the molecular dynamics simulations are used to assess the effective viscosity of films confined between two liquid phases and to study the slip at the interfaces. Our results show that there is a significant slip at the liquid-liquid interface. The values of the slip lengths are related to the respective viscosities of the two liquids. This slip located at the liquid-liquid interfaces plays an important role during coalescence since it accelerates the film drainage.Finally, we study the stochastic effects controlling the formation of the liquid bridge through a series of simulations of coalescence of heptane drops in water. The simulation box is the same in each case, but a random perturbation is introduced by the Lyapunov instability, allowing the obtention of a set of closely related initial states having divergent trajectories. From this series of simulations we have established that the probability of coalescence as a function of time follows a Poisson distribution.In summary, we have proposed an original description of coalescence at the molecular scale using a probabilistic model describing the coalescence time and a hydrodynamic model describing the drainage at the molecular scale. Our study opens many perspectives for the simulation of coalescence in continuous approaches used in fluid mechanics and chemical engineering. It is also applicable to other physical problems whose kinetics are governed by the molecular scale

La contamination bactérienne des surfaces est une problématique majeure dans des domaines comme le médical ou l’agroalimentaire. Afin d’agir en amont de la formation du biofilm, nous avons choisi de réaliser des surfaces bioactives par contact pour inhiber les bactéries sans relargage d’agents actifs. L’objectif de cette thèse est de créer ces surfaces en greffant de façon covalente des polyionènes (PI) et d’en étudier les propriétés biologiques en faisant un lien avec la structure des polymères greffés.Les PI possèdent des propriétés antimicrobiennes à la fois puissantes et modulables grâce à la possibilité de modifier le ratio charge/hydrophobicité de façon contrôlée. Une gamme de PI a été synthétisée en faisant varier la longueur et la nature des segments (aliphatiques et éthers), ainsi que la masse molaire, afin d’étudier l’impact de ces trois paramètres sur l’efficacité antibactérienne et la cytotoxicité. La gamme aliphatique s’est révélée être la plus bactériostatique avec un gradient d’efficacité qui augmente avec la longueur du segment aliphatique.La gamme de PI aliphatiques a ensuite été greffée de façon covalente sur des surfaces de verre et des wafers de silicium selon une procédure séquentielle combinant un dépôt de polydopamine, une étape de polymérisation induite par des sels de diazonium et une polyaddition en surface. Les étapes de chimie ont été caractérisées en détails via diverses techniques d’analyse de surface (XPS, mesures d’énergie de surface et de potentiels zêta). Les propriétés antibactériennes des surfaces greffées ont ensuite été évaluées par des essais d’adhésion (observations des flores totales et dénombrements des flores viables cultivables). Les résultats montrent que les surfaces greffées PI présentent des propriétés antibactériennes efficaces et modulables selon la longueur du segment aliphatique, associées à un effet pro-adhésif important. Des tests de cytotoxicité ont également démontré l’absence de relargage et de toxicité des matériaux. Les chaînes greffées en surface ont aussi été étudiées par réflectivité des rayons X et des neutrons pour déterminer avec précision l’épaisseur des couches polymères et tenter d’établir un lien entre la conformation des chaînes et leur mécanisme d’action sur les bactéries.Lors de cette thèse, trois procédés ont aussi été développés afin de fonctionnaliser de façon covalente des surfaces de polyéthylène (PE), matériau principal des films alimentaires. Les PI ont d’abord été greffés sur le PE avec un procédé chimique analogue à celui du verre. Ensuite, la fonctionnalisation a été effectuée par impression après la formation d’une encre à base de PI. Enfin, dans le souci d’élaborer un procédé plus industrialisable, les PI ont été incorporés via un mélange-maître lors de l’extrusion du film de PE. Pour chacun de ces procédés, nous avons évalué la possibilité de leurs applications en caractérisant les propriétés antibactériennes et cytotoxiques des films PE modifiés
Bacterial contamination of surfaces is one of the most pressing concerns for the medical and the food industries. In order to act prior to the biofilm formation, we chose a preemptive strategy by creating contact-bioactive surfaces to inhibit bacteria without releasing bioactive agents. The main objective of this thesis is to prepare such surfaces by covalently grafting polyionenes (PI) and to study their biological characteristics, as well as the influence of the polymer structure on these properties.PI possess both powerful and versatile antimicrobial properties, which can be controlled by fine-tuning the charges/hydrophobic spacers ratio. A range of PI was synthesized by varying both the length and the nature of the spacers (aliphatic and ether), as well as the molecular weight, in order to evaluate the impact of these parameters on antibacterial activity and cytotoxicity. The aliphatic series was found to be more bacteriostatic, with an efficiency gradient that increases with the length of the aliphatic spacer.The aliphatic PI were then covalently grafted onto glass surfaces and silicon wafers using a sequential procedure combining polydopamine coating, diazonium salts induced polymerization and surface polyaddition. The chemical steps were characterized in detail via various surface analysis techniques (XPS, energy and zeta potential measurements). Antibacterial properties of the grafted surfaces were then evaluated by adhesion tests (total flora observations and enumerations of viable cultivable flora). PI-grafted surfaces were shown to display effective and versatile antibacterial properties, associated with a pro-adhesive effect. Cytotoxicity tests also demonstrated the absence of release and the non-toxicity of these materials. X-ray and neutron reflectivity experiments were performed on PI grafted chains to determine the thickness of polymers layers and to establish a link between the chains conformation and their mechanism of action towards bacteria.During this thesis, three procedures were developed to covalently functionalize polyethylene (PE) surfaces, the main component of food packaging. Firstly, PI were grafted onto PE with a chemical process similar to the one performed on glass. Secondly, a PI based ink was prepared to functionalize the PE film with an ink-jet printing process. Lastly, in order to develop a more industrializable process, PI were incorporated in bulk during the extrusion of PE films. For each procedure, we evaluated the possibility of their applications by characterizing their antimicrobial and cytotoxicity properties