Tailor-making molecular optical force probes for polymeric materials

• Maßgeschneiderte molekulare optische Kraftsonden für polymere Materialien

Baumann, Christoph; Herrmann, Andreas (Thesis advisor); Möller, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Erforschung von Materialeigenschaften ermöglicht es bekannte Materialien stetig zu verbessern und immer wieder neue, innovative und interaktive Materialien zu gestalten. Insbesondere das Verhalten von Materialien auf mechanische Kräfte ist ein wichtiges Forschungsgebiet, um Materialversagen vorzubeugen und die Robustheit der Materialien zu steigern. Dazu muss der molekulare Mechanismus, welcher dem mechanischen Bruch zu Grunde liegt, verstanden werden. Um die komplexen, voneinander abhängigen, ablaufenden Vorgänge auf molekularer Ebene zu verstehen, müssen daher neue Werkzeuge entwickelt werden. In dieser Arbeit werden kraftempfindliche Moleküle, sogenannte Mechanophore, entwickelt und als Kraftsonden eingesetzt und somit neue Einblicke in Materialien gewährt. Zunächst wurde die Leistungsfähigkeit eines bereits entwickelten Systems, aus π-erweitertem Anthracen und Maleimid Diels-Alder Addukt, als Kraftsonde in mehreren Kooperationsprojekten aufgezeigt, neue Methoden zur Steigerung der Detektionssensitivität vorgestellt und verschiedene Materialtypen erforscht. Durch das Studium von Regioisomeren dieses Mechanophors mit unterschiedlichen Polymerankerpunkten konnten erste Erkenntnisse bezüglich der mechanochemischen Reaktivität in Abhängigkeit zur Position der Polymerkette in 9-π-erweiterten Diels-Alder Addukten erlangt werden und so eine Grundlage für die Entwicklung neuer Mechanophore gelegt werden. Auf der Basis von Diels-Alder Addukten wurde ein neues symmetrisches Mechanophor-Design entwickelt, welches durch einen austauschbaren aromatischen Kern eine hohe Anpassungsfähigkeit besitzt. Die optischen Eigenschaften des Designs wurden durch die Einführung von unterschiedlichen aromatischen Systemen variiert und erforscht. Insbesondere die Entwicklung von dual fluoreszierenden Mechanophoren mit Benzothiadiazol- bzw. Naphtothiadiazol-Kern ermöglichte die Abdeckung des kompletten Spektrums des sichtbaren Lichts und erlaubte gleichzeitig die lokale Quantifizierung von gebrochen und ungebrochenen Bindungen. Darüber hinaus wurde ein weiteres neues Mechanophor vorgestellt, welches ein kontroverses Triazol-Motiv mit dem Diels-Alder Motiv kombiniert und somit die einfache Synthese und Inkorporation an der Grenzfläche von Polymeren über Klick-Reaktionen ermöglicht.