Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Abstract

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

The intrinsic, photophysical, electrochemical and crystallographic properties of the fluorescent molecules 4,4'-bis(2-benzoxazolyl)stilbene (BBS) and 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyl)thiophene (BBT) have been investigated in solution as well as in semi-crystalline poly(butylene succinate) (PBS) and polylactide (PLA). Both fluorophores were found to be characterized by high fluorescence absolute quantum yields. However, fluorescence quenching was found to occur by intersystem crossing to the triplet state for BBT, and by trans-cis photoisomerization for BBS. The latter process was kinetically concentration-dependent, resulting in a pure photoinduced cis-isomer at low concentrations, which is accompanied at high concentrations by the appearance of an acidic compound after photocleavage followed by oxidation. This study revealed pronounced spectroscopic changes upon an increase of the fluorophore concentration, especially in the solid-state, specific to aggregation of ground state molecules for BBT or excimer formation for BBS, thus correlating the fluorescent features with the single crystal characteristics for each fluorophore. Moreover, the transformation from molecular dispersion to phase separation, occurring for BBS, is accompanied by a significant colour change from blue to green, which is sensitive to deformation, time and temperature, thus affecting the absolute fluorescence quantum yields and providing a broad opportunity for the creation of a wide variety of smart polymers with self-assessing capabilities. On the other hand, the BBT’s high solubility in common solvents combined with its measured enhanced optoelectronic properties make it a candidate as a universal fluorophore reference and smart material for both polymeric and solution studies. Similarly to blends comprising miscible polymers, the PBS orientation was found to increase by adding a fluorescent molecule, whose monomers tend to be oriented in stretched films, contrary to excimers or aggregates.