Anisotropic particles for colloidal self-assembly

• Anisotrope Partikel für die kolloidale Selbstassemblierung

Tigges, Thomas; Möller, Martin (Thesis advisor); Walther, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Auf dem Weg zur Entwicklung neuer Methoden zur Herstellung komplexer Materialien war die Natur schon immer eine Inspiration für Wissenschaftler. Viele Forscher versuchen daher die Produkte der Natur nachzuahmen. Ich hingegen möchte mich in meiner Arbeit darauf konzentrieren zu verstehen, wie solche komplexen Materialien entstehen können. Für Wissenschaftler war es schon immer faszinierend, die dahinterstehenden Mechanismen zu verstehen und experimentell zu imitieren um dadurch selbstassemblierende oder gar selbst-reproduzierende Materialien zu schaffen. In der Natur findet Selbstassemblierung in allen Größenordnungen statt, angefangen bei den Lipiden der Zellmembran im sub-nanometer Bereich, bis zur Ordnung zwischen den Zellen, welche letztendlich Organismen in der Größenordnung einiger Meter bilden. Der hohe Grad an Komplexität wird in der Natur dadurch erreicht, dass Assemblierungsprozesse außerhalb des Gleichgewichtes stattfinden und über den Verbrauch eines Treibstoffes angetrieben, und mittels "Feedback-Loops" gesteuert werden. Anisotrope Kolloide stellen eine faszinierende Klasse von Partikeln dar, um derartige Prozesse zu studieren, da sie groß genug sind um sie mittels Mikroskopie untersucht zu werden, aber gleichzeitig klein genug, um weiterhin den üblichen Triebkräften zu unterliegen, die bei der Selbstassemblierung wirken. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher mehrere Methoden zur Herstellung kolloidaler Bausteine präsentiert, wobei gleichzeitig deren Eignung zur Selbstassemblierung analysiert wird. Es werden die folgenden Methoden untersucht: a) Mikrokontakt-Drucken zur Herstellung sphärischer Partikel mit einem lokal begrenzten Bereich (Patch), welcher mittels Klickchemie, bzw. biologischer Wiedererkennung, adressiert werden kann, b) direktes 3D Laser-drucken von kegelförmigen Partikeln, welche mittels Depletion-Wechselwirkung über Formerkennung assemblieren können sowie c) DNA-Origami für die hierarchische Selbstassemblierung von Einzelstrang-DNA zu kolloidalen Bausteinen die ihrerseits über DNA-Basen Erkennung zu suprakolloidalen Fibrillen assemblieren können. Die hier dargestellten Methoden sind fundamental verschieden und eignen sich dementsprechend unterschiedlich gut zur Herstellung von kolloidalen Bausteinen, was im Folgenden grundlegend diskutiert werden wird.