Ce cours présente les principes physico-chimiques qui gouvernent l'auto-assemblage de la matière depuis les échelles moléculaire et nanométrique jusqu’au échelles micrométriques. À partir du cadre thermodynamique général - énergie libre, entropie, enthalpie et interactions non-covalentes faibles - le cours progresse des molécules amphiphiles simples vers des systèmes de plus en plus complexes : micelles, bicouches lipidiques, polymersomes, cristaux liquides et assemblages biologiques. Une attention particulière est portée aux applications en chimie, biologie, médecine et en sciences de la matière.

À l'issue du cours, les étudiants seront capables de : (i) décrire et comparer les principaux mécanismes d'auto-assemblage; (ii) utiliser les concepts de paramètre d'empilement critique, de concentration micellaire critique et d'énergie de courbure pour prédire la morphologie des agrégats; (iii) relier les propriétés mécaniques et thermodynamiques des membranes à leur composition moléculaire; (iv) interpréter des données expérimentales issues des principales techniques de caractérisation structurale.

Plan du cours

Le cours est organisé en neuf séances de 2h, construites selon une progression logique des petites molécules vers les assemblages complexes, et de l'équilibre vers les systèmes dynamiques et biologiques.

• Séance 1 : Introduction et forces motrices : définitions, cadre thermodynamique, effet hydrophobe. 
• Séance 2 : Amphiphiles et tensioactifs : paramètre d'empilement critique, CMC, diagrammes de phases. 
• Séance 3 : Micelles et thermodynamique de l'agrégation : modèles d'action de masse et de pseudo-phase, cinétique. 
• Séance 4 : Bicouches lipidiques et membranes : mécaniques membranaires, transitions de phase, courbure biologique. 
• Séance 5 : Synthèse de lipides et control des propriétés des membranes. 
• Séance 6 : Cristaux liquides et mésophases : lyotropes et thermotropes, mésophases lamellaires, hexagonales, cubiques et bicontinues. 
• Séance 7 : Interactions colloïdales et stabilité : théorie DLVO, potentiel zêta, effets ioniques spécifiques, déplétion. 
• Séance 8 : Sujets avancés : nanotechnologie de l'ADN, auto-assemblage des protéines, principes physicochimiques de la formation de structures des diatomées. 
• Séance 9 : Méthodes expérimentales et conclusion : diffusion (SAXS, SANS, DLS), microscopie (cryo-TEM, AFM, fluorescence), calorimétrie, questions ouvertes.