Synthesis of polystyrene latex nanoparticles with magnetic patches

Les particules à patchs magnétiques ont pris une importance toute particulière dans l’étude des assemblages vers de nouvelles structures colloïdales. L’état de l’art nous a montré que la majorité des systèmes synthétisés et étudiés concerne des particules à un seul patch magnétique limitant ainsi les possibilités de structures accessibles par assemblage. Notre objectif s’est donc centré sur l’obtention de nanoparticules sphériques de polystyrène (PS) porteuses de plusieurs nanoparticules superparamagnétiques à leur périphérie. La voie multi-étapes retenue a consisté à préparer par polymérisation en émulsion ensemencée des particules Janus magnétiques (MJPs) présentant un nodule de PS qui a ensuite été rendu « collant » dans un mélange de bon/mauvais solvant pour fusionner avec celui d’un nombre limité de particules similaires. Pour servir de patchs magnétiques d’environ 100 nm, nous avons préparé des supraparticules colloïdales de nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques par un procédé incluant des étapes d’évaporation d’une phase émulsifiée, de consolidation par la silice et de resserrement de la distribution de taille par purification. Les paramètres optimaux de la polymérisation en émulsion ensemencée (composition du mélange de tensioactifs, nature et taux de greffage de l’agent de couplage) et de l’assemblage (nature et fraction du bon solvant, concentration particulaire, température et durée d’incubation) ont été préalablement déterminés avec des nanoparticules-modèles de silice présentant un diamètre et un état de surface similaires. L’application de ces conditions aux MJPs s’est avérée plus compliquée que prévue notamment en raison de la faible quantité de supraparticules disponible et cela a notamment conduit à définir de nouvelles conditions de polymérisation en émulsion ensemencée. Finalement, des lots de nanoparticules de latex à deux ou trois patchs magnétiques ont été obtenus, mais nécessiteront des étapes de purification avant d’envisager des études d’assemblage sous champ magnétique.Magnetic patchy particles are of great interest for assembly into novel colloidal structures. The state of the art showed us that the vast majority of synthesized and studied systems concerns particles with a single magnetic patch, thus limiting the structures accessible by particles assembly. Therefore, the main goal of the present study was to develop spherical polystyrene (PS) nanoparticles with two or many superparamagnetic nanoparticles on their surface. Our multistep process involved first the fabrication of Magnetic Janus particles (MJPs) by seeded-growth emulsion polymerization and subsequent incubation in suitable mixtures of good and bad solvents to make their polystyrene lobe “sticky”. MJPs are then ready to coalesce into self-assembled structures with small aggregation numbers. In order to obtain magnetic patches with a size range of 100 nm, we prepared colloidal supraparticles highly loaded with superparamagnetic iron oxide nanoparticles through a multistep procedure, including evaporation-induced emulsion, silica coating and purification, leading to a narrowing of the size distribution. The optimal parameters of the seeded-growth emulsion polymerization (surfactant mixture composition, coupling agent type, surface grafting density) and of the assembly (solvent quality, good solvent content, particle concentration, temperature and incubation time) were previously determined with silica nanoparticles as models with similar particle diameter as well as surface chemistry. We demonstrated that under the same conditions MJPs synthesis became trickier, mainly because of the small amount of available supraparticules. This led us to implement new seeded-growth emulsion polymerization conditions. Finally, batches of latex nanoparticles with two or three magnetic patches were obtained, but required further purification steps before investigating their assembly behavior under magnetic field