Soutenance mémoire
La conférence de Richard Feynman intitulée « There’s plenty of room at the bottom» et présentée à Caltech en 1959 a, pour la première fois, décrit le potentiel découlant de la manipulation de la matière à l’échelle moléculaire ou atomique. La possibilité d’écrire l’ensemble des livres mondiaux dans un volume équivalent à une trentaine de pages y était envisagée, comme la fabrication de micro ordinateurs ou la réalisation d’opérations chirurgicales non-invasives. Les techniques permettant de telles fabrications y étaient aussi envisagées. Ces techniques sont aujourd’hui appelées top-down puisqu’elles font appel pour la plupart à des procédés de réduction de modèles macroscopiques. Ce type de techniques, tel que la photolithographie, a accompagné le développement de l’électronique.
Cependant, le procédé inverse est aussi envisageable : des éléments plus petits peuvent être assemblés de façon à obtenir l’objet attendu. Ceci constitue le procédé de fabrication le plus courant à l’échelle macroscopique. Cette approche est baptisée bottom-up. La manipulation de molécules ou d’atomes individuels est cependant complexe à mettre en œuvre, notamment dans le cadre d’applications industrielles. Toutefois les forces qui gouvernent ces échelles sont très différentes de celles dominant le monde macroscopique : la gravité est par exemple négligeable en comparaison des forces de surface. La conception de molécules en tirant parti peut permettre à l’objet de s’auto-assembler, sans intervention directe. Il s’agit d’une approche biomimétique puisque cette stratégie est largement utilisée par les organismes vivants.
Les nanotubes
Définition
Donner une définition exacte d’un nanotube est un exercice assez difficile puisqu’elle varie beaucoup selon les auteurs. Ainsi, Charles R. Martin définit un nanotube comme une structure tubulaire creuse, telle une paille(1). Ces tubes ont donc un espace intérieur conséquent à la différence des fibres (ou fibrilles) qui sont pleines et ne possèdent pas d’espace intérieur(2). La question de la dimension est encore plus critique puisque si Martin leur donne un diamètre inférieur à 100 nm(1), concordant avec la définition d’une nanoparticule donnée par Bhushan dans le « handbook of nanotechnology » (3), certaines structures présentent des gammes de tailles assez larges. Les assemblages de diphénylalanine, par exemple, présentant des diamètres allant de 80 à 300 nm(4) et ne rentrent donc que partiellement dans ce critère de taille. Enfin, le rapport longueur sur diamètre est aussi une donnée importante puisqu’un tube de fort diamètre pour une longueur faible est plutôt défini comme un pore .
Le critère de taille peut sembler restrictif puisqu’il est difficile de qualifier un tube de 150 nm de diamètre de microtubule. De plus, il est nécessaire de prendre en compte les systèmes possédant des gammes de tailles assez larges. Ainsi, le qualificatif de « nanotube » décrira dans ce manuscrit une structure tubulaire creuse possédant un diamètre inférieur à 500 nm et un rapport longueur sur diamètre supérieur à 5.
Les nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone constituent le type de nanotube le plus connu, notamment du grand public. Si leur découverte a été rapportée pour la première fois en 1991 par Ijima(6) , il semble qu’ils aient été produits depuis longtemps. En effet, un brevet semble attester de leur formation en 1889(7,8) et ces structures ont été retrouvées dans la lame d’un sabre arabe du 17ème siècle(9) . Un nanotube de carbone est composé d’atomes de carbone hybridés sp2 organisés sous forme d’hexagones(3). Ils peuvent être vus sous la forme d’une feuille de graphène enroulée sur ellemême . Selon la forme d’enroulement, on les qualifie de «zigzag», d’ « armchair » ou de chiraux.
Le tube est fermé à chaque extrémité par des structures théoriquement hémisphériques, similaires à des buckminster fullerènes . Dans la pratique, les extrémités présentent souvent des formes biseautées ou trapézoïdales autorisées par la présence de cycles à cinq atomes. Pour être précis, ce type de tube doit d’ailleurs s’appeler un nanotube de carbone fullerène, puisqu’il est possible de fabriquer des nanotubes de carbone amorphe .
Les nanotubes organiques
Des nanotubes ont été fabriqués à partir de pratiquement tous les grands types de molécules existantes, telles que des chaînes insaturées (12) , des amphiphiles(13), des sucres(14), des peptides(15), des polymères(16) ou encore des protéines(17) . De plus, des système mixtes associant molécules aromatiques et polymères(18) ou encore peptides et dendrimères(5) ont aussi donné lieu à ce type d’assemblage. Les nanotubes auto-assemblés à partir de molécules amphiphiles semblent les plus répandus et ont fait l’objet d’un grand nombre d’études. Ils constituent d’ailleurs le monomère des premiers nanotubes organiques rapportés .
Malgré la grande diversité des molécules et des structures auto-assemblées en résultant, quelques essais de classification ont été réalisés. Une première discrimination peut être faite selon le type de monomère, linéaire ou cyclique . Ghadiri a proposé un classement plus rigoureux selon le type d’auto-assemblage : le tube peut être constitué de molécules hélicoïdales s’enroulant pour former un tube , de molécules de forme cylindrique formant un assemblage supramoléculaire; de macrocycles s’empilant pour former un tube continu ou de molécules en forme de secteurs s’assemblant en disques, pouvant s’empiler et former un nanotube .
Mesures et dimensions
Nanotubes de carbone
Dans le cas de nanotubes inorganiques (nanotubes de carbone, de silice…), la microcopie électronique à transmission (MET) est une méthode de caractérisation largement utilisée. Elle est en effet très adaptée à ce type de structure et a permis la découverte des nanotubes de carbone(6). Elle autorise une mesure directe des dimensions des objets sur la micrographie obtenue : ainsi les nanotubes de carbone monoparois(3) ont des diamètres d’environ 1 nm, compris en général entre 0,6 et 2,5 nm, alors que les tubes multiparois atteignent des diamètres de 10 à 30 nm .
Cependant, les échantillons de nanotubes de carbone ne contiennent pas des tubes de taille unique mais plutôt une distribution de tailles dépendant des conditions de synthèse.
La mesure d’une distribution de diamètres comme indiquée sur la figure 1.6 par microscopie implique donc de mesurer le diamètre manuellement sur un grand nombre de tubes, et si possible sur plusieurs échantillons. Ceci explique que cette distribution ne soit pas toujours mesurée précisément et reste souvent indicatrice. Enfin, la longueur des tubes est de plusieurs micromètres, le rapport longueur sur diamètre est donc d’au moins 1000, voire beaucoup plus .
Nanotubes organiques
A la différence des nanotubes inorganiques, la mesure des dimensions de ces structures organiques est rendue difficile par leurs propriétés visco-élastiques et leur caractère dynamique. Ainsi, une mesure de dimension par microscopie électronique ne peut être véritablement fiable puisque les échantillons sont le plus souvent secs et recouverts d’un agent de contraste. Les techniques fournissant les données les plus sûres seraient donc la diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) ou la microscopie électronique sur cryofractures, plus difficiles à mettre en œuvre. La diversité des nanotubes organiques implique une diversité des diamètres mesurés, cependant un certain type d’assemblage peut avoir tendance à donner une certaine gamme de diamètres. De même, la polydispersité des échantillons et la possibilité de régler le diamètre sont très liées au mode d’association.
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Table des matières
Introduction Générale
Ière partie : Rappels bibliographiques
Introduction
I.1 Les nanotubes
I.1.1 Définition
I.1.2 Les nanotubes de carbone
I.1.3 Les nanotubes organiques
I.1.4 Mesures et dimensions
I.1.4.1. Nanotubes de carbone
I.1.4.2 Nanotubes organiques
I.1.5 Contrôle de la taille
I.2 Les nanotubes de peptides
I.2.1 Nanotubes issus de protéines ou peptides naturels
I.2.2 Nanotubes de cyclopeptides d’alternance D et L
I.2.3 Nanotubes basés sur des peptides amphiphiles
I.2.4 Nanotubes formés de dipeptides hydrophobes
I.3. Auto-assemblage en nanotubes de peptides
I.3.1 Caractéristiques générales
I.3.2 Classification
I.3.2 Interactions faibles
I.3.2.1 Liaisons hydrogène
I.3.2.2 Interactions ioniques
I.3.2.3 Interactions aromatiques
I.3.2.4 Effet hydrophobe
I.3.3 Questions énergétiques
I.4. Applications des nanotubes de peptides
I.4.1 Problème du positionnement
I.4.1.1 Mesure de position
I.4.1.2 Positionnement contrôlé de nanotubes de peptides
I.4.1.3 Dépôt macroscopique de nanotube
I.4.2 Applications en sciences de la vie
I.4.3 Applications en nanotechnologie
I.4.3.1 Nanocapteurs
I.4.3.2 Création de nanofils et de nanocanaux
I.5 Le lanréotide
I.5.1 Origine biologique et acromégalie
I.5.2 Gel de lanréotide
I.5.2.1 Diagramme de phase
I.5.2.2 Conformation du lanréotide
I.5.2.3 Des nanotubes monoparois et monodisperses
I.5.2.4 Importance des caractéristiques structurales
I.5.2.4.1 Auto-assemblage des séquences dérivées
I.5.2.4.2 Environnements des chaînes aromatiques
Conclusion
IIème partie : Synthèse d’une bibliothèque de peptides en vue d’auto-assemblage
Introduction
II.1 Synthèse d’une bibliothèque de peptides
II.1.1 Synthèse
II.1.1.1 Préparation de la résine
II.1.1.2 Assemblage de la séquence peptidique
II.1.1.3 Cyclisation du peptide
II.1.1.4 Clivage
II.1.2 Purification
II.1.3 Bibliothèque de peptides
II.2 Echange d’ions
II.2.1 Chromatographie liquide haute performance (HPLC)
II.2.2 Résine échangeuse
II.2.3 Déprotonation/reprotonation des charges
II.2.4 Techniques de caractérisations
II.2.5 Résultats et discussion
II.3 Caractérisation des propriétés d’auto-assemblage des dérivés peptidiques
II.3.1 Mise en solution des peptides
II.3.2 Analyses spectroscopiques et microscopiques des structures formées
II.3.3 Analyses par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS)
II.3.4 Résultats et discussion
II.3.4.1 Peptides s’auto-assemblant en nanotubes monodisperses
II.3.4.2 Peptides ne s’assemblant pas en nanotubes monodisperses
II.4 Etude de la formation de composés mixtes nanotubes de carbone-nanotubes de peptides
II.4.1 Expériences avec des nanotubes de carbones individuels
II.4.1.1 Microscopie électronique à transmission
II.4.1.2 Analyse thermo-gravimétrique
II.4.2 Expériences avec des tapis de nanotubes de carbone alignés
II.4.2.1 Séchage à l’air
II.4.2.2 Séchage sous vide
II.5 Synthèse d’acides aminés non naturels
II.5.1 Synthèse de la β-fluorènylalanine
II.5.2 Synthèse d’une tyrosine substituée
II.5.3 Synthèse d’un analogue de l’histidine
II.5.3.1 Synthèse des composés
II.5.3.2 Déprotections sélectives des acides aminés
II.5.3.3 Mécanismes réactionnels
II.5.3.3.1 Catalyse au cuivre
II.5.3.3.2 Catalyse au ruthénium
Conclusion
IIIème partie : Partie expérimentale
II.1 Généralités
III.1.1 Produits chimiques
III.1.2 Équipements
III.2 Synthèse en phase solide
III.2.1 Procédure générale pour la synthèse de peptide
III.2.2 Purification
III.2.3 Échange d’ion
III.2.4 Caractérisation
III.3. Echange d’ions
III.3.1 HPLC
III.3.2 Échange d’ion sur résine
III.3.3 Procédure de déprotonation/reprotonation
III.3.4 Méthodes analytiques
III.4 Étude de la formation de composés mixtes nanotubes de carbone-nanotubes de peptides
III.4.1 Expériences avec des nanotubes de carbones individuels
III.4.2 Expériences avec des tapis de nanotubes de carbone alignés
III.5 Synthèse en phase liquide
III.5.1 Synthèse de la β-fluorènylalanine
III.5.2 Synthèse d’une tyrosine substituée
III.5.3 Synthèse d’un analogue de l’histidine
Conclusion Générale
