Dissertation/Thesis Abstract

Self-Assembly of Hard-Core/Soft-Shell Colloids in Bulk and at the Interface
by Rauh, Astrid, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2018, 259; 10971537
Abstract (Summary)

Einer der faszinierendsten Prozesse der Kolloidik ist die spontane Selbst-Assemblierung eines ungeordneten Systems zu einem kolloidalen Kristall. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Opale, welche sich aus Silica-Kolloiden zusammensetzen. Ihr charakteristisches Schillern entsteht durch die Lichtbeugung an ihrer periodischen Überstruktur. In den letzten Jahrzehnten dienten selbst-organisierte Strukturen aus der Natur als Vorbilder für Wissenschaftler, welche sich mit dem Phasenverhalten künstlicher Kolloide beschäftigten. Ihr Fokus hierbei lag auf der Entwicklung funktionaler Bauteile wie Lichtleiter-, Nanolaser- und Sensorik-Bauteile. Insbesondere harte, kolloidale Kugelsysteme wurden intensiv untersucht. Diese bieten allerdings nur einen begrenzten Parameterraum, da sie nur aus einer Materialkomponente bestehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Selbst-Assemblierung von Kern-Schale-Kolloiden, die aus einem harten Kern, welcher in eine weiche Mikrogelhülle eingekapselt ist, bestehen. Der Aufbau aus den unterschiedlichen Komponenten sorgt für ein breites Spektrum an Eigenschaften der einzelnen Partikel als auch an Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden. Indem harte Kerne mit besonderen elektronischen, magnetischen oder optischen Eigenschaften eingekapselt werden, kann Funktionalität in die Partikelstruktur eingebracht werden. Die weiche Schale ermöglicht ein Durchdringen und/oder eine Deformation der Partikel mit zunehmenden Volumenbruch. Dadurch wird der Bereich der zugänglichen Interpartikelabstände massiv erweitert, was zu einem vielseitigen Phasenverhalten dieser Kolloide führt. Die Herstellung der Kolloide erfolgt mit Hilfe der Fällungspolymerisation. Silica- oder Gold-Nanopartikel Kerne werden in quervernetzte Poly-N-isopropylacrylamid Mikrogelschalen eingekapselt. Für die Selbst-Assemblierungsstudien werden große Mengen an monodispersen Kern-Schale-Partikeln mit nur einem Kern benötigt. Zudem müssen strukturelle Aspekte wie die Gesamt- und Kerngröße, der Quervernetzergehalt der Schale sowie das Schale-zu-Kern Verhältnis gezielt in der Synthese einstellbar sein. Damit diese Anforderungen erfüllt werden können, wird die Reaktion genau untersucht. Um die Reaktionskinetik besser zu verstehen, wird die Einkapselung in situ verfolgt. Außerdem wird der Einfluss der Funktionalisierung und Konzentration der Kerne analysiert. Dieses Wissen ermöglicht die gezielte Synthese von verschiedenen Partikeltypen. Die Selbst-Assemblierung dieser Partikel wird in der Bulkphase und an der Öl-Wasser Grenzfläche untersucht. In der Bulkphase werden für alle hergestellten Partikeltypen kristalline Überstrukturen in einem bestimmten Volumenbruchbereich erhalten. Strukturen im Zentimeter Bereich können sogar ohne Anwendung von Scherkräften hergestellt werden. Der zugängliche Bereich der Interpartikelabstände in den Überstrukturen wird durch die Partikelstruktur beeinflusst. Der Fokus liegt hier auf dem Einfluss von Kern, Gesamtdimension, Schalendeformierbarkeit und Schale-zu-Kern Verhältnis. Durch den weichen Charakter der Partikel wird der maximale Volumenbruch von 0.74 für harte Kugeln in einem kubisch flächenzentrierten Gitter überstiegen. Schmalbandige Bragg Peaks mit Breiten von 10 nm werden vom ultravioletten bis zum nah-infraroten Spektralbereich verschoben, indem Partikelstruktur und Volumenbruch angepasst werden. Streumethoden liefern Beugungsmuster mit höheren Ordnungen an Bragg Peaks, welche einem kubisch flächenzentrierten Kristallgitter zugeordnet werden. Um die beobachteten Phasen des Gleichgewichtszustands zu verlassen, wird auch der Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Partikeldispersionen getestet. Je nach Feldstärke ordnen sich die Partikel zu Perlenketten, zu Sheets oder zu quadratisch geordneten Gitterstrukturen an. An der Grenzfläche sind die Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden anders als in der Bulkphase. Folglich kann mit einem anderen Phasenverhalten der Kern-Schale-Partikel an der Öl-Wasser Grenzfläche gerechnet werden. Um das Phasenverhalten der Partikel verstehen zu können, wird zunächst deren Morphologie an der Grenzfläche in Abhängigkeit von Kerngröße und Schalendicke mittels freeze-fracture shadow-casting cryogenic scanning microscopy analysiert. An der Grenzfläche zeigen alle Partikel größere Dimensionen als in der Bulkphase. Die weichen, oberflächenaktiven Schalen streben nach maximaler Hydrierung, was zu einer starken Deformation an der Grenzfläche führt. Mittels Langmuir-Blodgett Experimenten werden Mikrostrukturen an der Grenzfläche bei verschiedenen Oberflächenbelegungen hergestellt. Durch die quantitative Bildanalyse dieser Strukturen ist es möglich Rückschlüsse auf die Fläche pro Partikel, den Interpartikelabstand und den Ordnungsgrad zu ziehen. Schon bei kleiner Oberflächenbelegung bilden sich Cluster, in denen die Partikel, bedingt durch attraktive Kapillarkräfte, in Kontakt sind. Erstmals wird gezeigt, dass diese Kräfte auf der Deformation der Grenzfläche beruhen, welche auf der Verformung der Mikrogelschale basiert. Desweiteren wird bei zunehmender Oberflächenbelegung anstatt eines kontinuierlichen ein abrupter Übergang von einem nicht-dichtgepackten zu einem dichtgepackten Gitter beobachtet. Diese Beobachtungen stehen im Gegensatz zum Phasenverhalten in der Bulkphase. Hier sind die Partikel über den gesamten Volumenbruchbereich durch die Mikrogelhüllen stabilisiert, was mit konfokaler, differentieller, dynamischer Mikroskopie ermittelt werden kann. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Zusammenhänge zwischen der Struktur der Partikel und dem dazugehörigen Phasenverhalten auf. Die Ergebnisse sind die essentielle Grundlage für zukünftige Arbeiten, welche sich mit der Herstellung von zwei- und drei-dimensionalen kolloidalen, funktionalen Bauteilen im Bereich Photovoltaik, Photonik und Sensorik beschäftigen.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Materials science, Nanotechnology, Condensed matter physics
Keywords: Self-assembled colloids
Publication Number: 10971537
ISBN: 9781088398524
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