Polyelectrolytes complexes : Morphologies, kinetics and thermodynamics of the assembly

Les complexes de polyélectrolytes (PECs) sont typiquement formés par interaction électrostatique entre deux polyélectrolytes de charge opposée. Alors que de nombreuses études ont été consacrées aux propriétés de ces complexes, l'objectif de la thèse est de mieux comprendre le rôle de l’intensité de l’interaction entre deux polyélectrolytes sur la morphologie des complexes ainsi que la cinétique et la thermodynamique de la complexation. Différents systèmes complexants, faibles et forts, donnant lieu à la formation de coacervats ou de précipités ont été choisis et étudiés sur une large gamme de rapport de charges (Z[+]/[-]) afin d'obtenir différents états physiques (soluble, colloïdal, phase dense). La morphologie des complexes a été déterminée par microscopie (optique, fluorescence, force atomique) et diffusion de rayonnement (lumière, neutrons). La cinétique et la thermodynamique de complexation ont été étudiées par utilisation respective d'un mélangeur à flux stoppé et de la calorimétrie de titration isotherme. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence un certain nombre de caractéristiques permettant de distinguer les systèmes complexants forts et faibles. En particulier, les complexes forts sont hors équilibre d'un point de vue thermodynamique et en conséquence ils présentent une forte dépendance aux conditions initiales de complexation. Un autre aspect important et qui pourrait être à l'origine de la distinction entre les complexes forts et faibles est l'énergie d'hydratation des polyélectrolytes qui a été déterminée pour de nombreux polyélectrolytes et corrélée aux propriétés des complexes.Complexes of polyelectrolytes (PECs) are oppositely charged polymers assemblies held together by electrostatic interaction. As the non-covalent assembly of macromolecules/colloids in solution has been thoroughly investigated over the last decade with a particular emphasis put on the morphology of the final aggregates as a function of the building blocks-chemistry, the objective of this thesis is to come to a better understanding of the influence of interaction strength between polyelectrolytes on complexes morphologies, as well as kinetics and thermodynamics of the complexation. For this study, weakly and strongly interacting systems given rise to coacervate and precipitate phases has been elected. Those systems have been studied on a wide charge ratio scale (Z[+]/[-]) to span several physical states of the PECs (soluble and colloidal PECs, dense phases). Morphologies of assemblies are assessed by microscopy (optical, fluorescence, atomic force) and scattering techniques (neutron, light). Kinetics and thermodynamics of the complexation process are studied by use of a stopped-flow mixing device and an isothermal titration calorimeter. Results gave us keys to discriminate strongly interacting systems from weakly interacting ones. In particular, the ‘strong systems’ are showed to be non-equilibrium assemblies, ie. the formulation pathway or the way these different macromolecules are coming into contact is then a key step. Another important aspect that could explain the complexation process behavior is the hydration energy of the polyelectrolytes. Calorimetry measurements have been performed for numerous polyelectrolytes and then correlated to complexes properties