Switchable self-assembly of hardcore/soft-shell composite microgels

Go, Dennis; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die Vielfältigkeit und Geschicklichkeit mit der die Natur komplexe Materialien entstehen lässt, hat Wissenschaftler schon immer fasziniert und die Forschung dazu angetrieben dem Vorgang der Selbstassemblierung auf den Grund zu gehen. Die Selbstassemblierung ist ein effizienter Prozess zur effektiven Organisation funktioneller Bausteine. Die daraus resultierenden Strukturen besitzen Größenordnungen, die vom Nanomaßstab bis hin zu makroskopischen Dimensionen reichen. Kolloidale Partikel stellen ideale Bausteine zur Untersuchung von Selbstassemblierungs-Prozessen dar, da ihre Funktionalität und interagierenden Kräfte einstellbar sind und leicht mittels Mikroskopie verfolgt werden können. Die Kombination aus harten Partikeln und anpassungsfähigen Mikrogelen stellt Bausteine mit spezifisch einstellbaren, weichen Interaktionen zur Verfügung. In der Natur basiert die Entwicklung übergeordneter Strukturen auf schwachen Wechselwirkungen, die ich in synthetischen Materialsystemen imitiere und untersuche, um einen tieferen Einblick in das Phänomen der Selbstassemblierung zu erlangen. Viele dieser Assemblierungsprozesse in der Natur benötigen eine externe Energiezufuhr zur zeitabhängigen Assemblierung. Ich verwende in meiner Arbeit Licht als Treibstoff, um kinetische und zeitliche Kontrolle während der Herstellung komplexer kolloidialer Überstrukturen zu erlangen. Das Licht garantiert hierbei die präzise Kontrolle der Wechselwirkungskräfte zwischen den Partikeln und ermöglicht Untersuchungen des dynamischen Phasenverhaltens sowie den Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften der resultierenden Assemblierungen. Durch das Koppeln des kolloidalen Systems an einen reversiblen, dissipativen Reaktionsmechanismus, befindet sich das kolloidale System außerhalb von Gleichgewichtsbedingungen. Obwohl sich dadurch der Grad an Komplexität erhöht, wird eine bessere Kontrolle als bei klassischen Selbstassemblierungsprozessen ermöglicht, da sich das System eigenständig regulieren kann. Ich konzentriere mich hierbei auf die experimentelle Abstimmung eines cyclischen Assemblierungs-Netzwerkes, um den Prozess der dissipativen Disassemblierung zu veranschaulichen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Herstellung eines individuell funktionalisiserbaren, kolloidalen Systems und untersuche dessen Phasenverhalten sowie seine dynamische Anpassungsfähigkeit in unterschiedlichen chemischen Systemen für potentielle Anwendung als weiche anpassbare Photonik. Die Studien beinhalten (1) die programmierbare Co-Assemblierung entgegengesetzt gelanderer Mikrogele, (2) programmierbare Phasenübergänge in einem photonischen Mirogel-System - die Verbindung weicher Interaktionen mit einem zeitlich gesteuerten pH-Gradienten und (3) die dissipative Disassemblierung kolloidaler Mikrogel-Kristalle, gesteuert durch ein gekoppeltes, cyclisches Reaktionsnetzwerk. Die behandelten Untersuchungen werden alle mit dem gleichen neuartigen Kolloid-System durchgeführt, offenbaren jedoch unterschiedlich spezifische Phasenverhalten und neue potentielle Anwendungsgebiete. Über diese Doktorarbeit hinaus beschäftigte ich mich außerdem mit Polyacrylnitril und dessen Potential als fluoreszierende Partikel und als leitfähiges Elektrodenmaterial für Superkondensatoranwendungen. Dies wird in zusätzlichen Kapiteln dieser Arbeit beschrieben.