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

Go, Dennis; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:HT019772823

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

Go, Dennis^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dennis Go

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 115 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-08-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226960
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730600/files/730600.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730600/files/730600.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
self-assembly, composite microgels, colloids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

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.

The diversity and dexterity of nature’s pathways to create complex materials have always inspired scientific research to better understand the process of guided and directed self- assembly. Self-assembly is a powerful tool, occurring from the nanoscale up to macroscopic dimensions, to organize highly functional building blocks in a purposeful manner. While investigating the interaction potential of soft colloidal building blocks, I will here explore new material systems utilizing new concepts of self-assembly. Colloidal fluorescent-core/microgel shell particles represent ideal building blocks to investigate self-assembly because their functionalities and interaction forces are tunable and they can easily be followed by using microscopy. The fusion of hard-sphere-like particles with adaptable microgels provides colloidal building blocks with a highly tunable soft interaction potential. In many natural systems, the assembly of functional building blocks into intricate structures relies on the consumption of external energy input. As long as this energy source is provided, the assembled structures sustain. Here, I connect our colloidal system to a light-triggered fuel cycle to gain temporal and kinetic control to enable the formation of more complex hierarchical assemblies. The precise control over the interparticle forces allows me to study the dynamics of phase behavior and tune the properties of the colloidal assemblies on a macroscopic scale. Although deviating from equilibrium conditions by coupling our microgel system to a dissipative reversible reaction network increases the complexity, the thereby obtained control over the colloidal system reaches far beyond that of classical colloidal self-assembly. In this work, I present the establishment of an advanced colloidal system and study its phase behavior. I further investigate the switchability of the system, which allows for potential applications in the field of adaptable optical filters and photonic devices. The studies comprise (1) the programmable co-assembly of oppositely charged microgels, (2) programmable phase transitions in a photonic microgel system – linking soft interactions to a temporal pH gradient and (3) the dissipative disassembly of colloidal microgel crystals driven by a coupled cyclic reaction network. All discussed topics are based on the same colloidal building blocks but reveal different specific phase behavior and new potential fields of application. Beyond the scope of this thesis, I also present the investigation of polyacrylonitrile in the form of fluorescent particles and as conducting electrodes in supercapacitors, which are described in additional chapters of this work.

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