Darstellung lichtschaltbarer, bistabiler Mikrogelstrukturen

Jung, Oliver; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:44895

Darstellung lichtschaltbarer, bistabiler Mikrogelstrukturen

Jung, Oliver^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oliver Jung, Master of Science Chemie

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10404
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1022972/files/1022972.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Dissertation werden lichtgetriebene Mikroschwimmer auf der Basis von thermoresponsivem Mikrogel untersucht, mit dem Ziel, die Grundlage für autonome Mikroschwimmer durch Selbstoszillation zu schaffen. Nach Erörterung der Konstruktionsprinzipien wird zunächst die Fähigkeit eines zweischichtigen Gold/Hydrogel-Bandes aufgezeigt, unter kritischen Bedingungen Arbeit zu leisten. Anschließend wird demonstriert, wie durch gezielte Formgebung solcher Doppelschichtbänder eine gerichtete Fortbewegung erreicht werden kann. Darüber hinaus wird gezeigt, wie sich radial begrenzte Gelscheiben zu Kuppeln verformen, wenn sie gequollen sind, und wie verschiedene Lichtpulssequenzen gerichtete Fortbewegung ermöglichen. Letztendlich wird durch die Kombination der zuvor entwickelten Komponenten - eine Doppelschicht unter radialer Begrenzung - und dem Hinzufügen einer Vorspannung ein lichtschaltbares, bistabiles Mikrogel geschaffen. Im ersten Abschnitt werden die wesentlichen Designelemente eines autonomen Mikroschwimmers erörtert und Beispiele dafür gegeben, wie diese auf der Grundlage eines thermoresponsiven Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAm) Mikrogels mit eingebetteten Goldnanostäbchen realisiert werden können. Licht im Nahinfrarot (NIR) -bereich wird in mechanische Energie umgewandelt, was eine Nicht-Gleichgewichtsbetätigung ermöglicht. Durch die Ausrichtung der Goldnanostäbchen entstehen optische Rückkopplungsschleifen, die die Energieaufnahme selbstständig steuern, was in Kombination mit der Bistabilität eine Selbstoszillation ermöglicht und zusammen mit Designelementen für eine gerichtete Bewegung einen völlig autonomen Mikroschwimmer ergibt. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems wird im zweiten Abschnitt hervorgehoben: Ein Hydrogel-Doppelschichtband, das zur direkten Umwandlung von Temperatur in Bewegung fähig ist, indem Goldnanostäbchen eingebettet werden und der Volumenphasenübergang (VPT) des Gels bei 32 °C ausgenutzt wird. Die unterschiedliche Quellung zwischen den Schichten führt zu einer Biegeverformung und damit zu einer Krümmungsinversion über den VPT. Dieser Übergang treibt einen Verformungs-Arbeitszyklus an, und in der Nähe des VPT lösen Temperaturschwankungen von weniger als einem Drittel Grad Celsius eine verstärkte Bewegung aus, die durch Tracerpartikel visualisiert wird, die sich schneller als die Brown‘sche Bewegung bewegen. Darüber hinaus wird gezeigt, wie keilförmige Doppelschichtbänder konische Helices bilden, wenn sie gequollen sind, und sich oberhalb des VPT des Hydrogels zu fadenförmigen Formen ausdehnen. NIR-Lichtpulse ermöglichen einen schnellen Temperaturwechsel und lösen an beiden Enden des Bandes unterschiedliche Bewegungsmodi aus. Dadurch erreichen die Bänder eine gerichtete Fortbewegung von bis zu 6 Körperlängen pro Sekunde, wobei das breitere Ende führend ist. Durch Modulation der Anregungsfrequenz kann die Bewegungsart zwischen Rotation und Vorwärtsbewegung gewählt werden. In der Dissertation wird außerdem eine mit Goldnanostäbchen beladene Hydrogelscheibe vorgestellt, die zu einer Kuppel mit einem gleichmäßig verteilten, azimutalen Faltenmuster anschwillt, wenn sie radial durch einen festen Ring begrenzt wird. Die Höhe der Kuppel skaliert linear mit ihrem Basisradius, während die Anzahl der Falten einer Potenzgesetzbeziehung mit dem Seitenverhältnis der Scheibe folgt. Nach der Bestrahlung flacht die Kuppel ab und nimmt beim Abkühlen ihren faltigen Zustand wieder an, wobei sie eine Verformungshysterese aufweist. Dadurch kann sich die Kuppel unabhängig vom Winkel des einfallenden Lichts entlang des Substrats bewegen. Die Bewegung der Kuppel manipuliert auch die umgebenden Mikrokugeln, was ihr Potenzial zum Transport und Verteilen von Ladung zeigt. Die Schlüsselinnovation dieser Dissertation ist eine durch Licht schaltbare, bistabile Hydrogelkuppel. Das Design mit einer PNIPAm-Hydrogelscheibe, die mit Polyacrylat beschichtet ist und innerhalb des Ringes radial komprimiert wird, kombiniert aktive und passive Schichten für eine kontrollierte Verformung. Der Ring bildet eine Energiebarriere zwischen zwei stabilen Zuständen, wodurch ein Schnappen ermöglicht wird. Die beiden Zustände der Kuppel mit der nach innen bzw. nach außen gerichteten passiven Schicht koexistieren und sind durch ein charakteristisches Faltenmuster zu erkennen. Durch die Maximierung der Abkühl- und Aufheizrate wird ein Durchschnappen in nur zwei Millisekunden beobachtet.

This dissertation investigates light driven microswimmers based on thermoresponsive microgel, aiming to establish the foundation for autonomous micro swimmers through self-oscillation. After developing and discussing the design principles, it first highlights the ability of a bilayer gold/hydrogel ribbon to perform work under critical conditions. It then demonstrates how directional motility can be achieved by purposeful shaping of bilayer ribbons. Furthermore, it is demonstrated how radially confined gel disks buckle into domes when swollen, and how different modes of actuation enable swimming and directed motility. Ultimately, by combining the previously developed components - a bilayer under radial confinement - and adding pre-strain, a light-switchable, bistable microgel is created. The first section discusses the essential design elements of an autonomous micro swimmer and provides examples how these can be realized based on thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) microgel with embedded gold nanorods. Near infrared (NIR) light is transformed into mechanical energy, enabling non-equilibrium actuation. By alignment of the gold nanorods, optical feedback loops are created that self-control the energy uptake, which in combination with bistability enables self-oscillation, and together with features for directional motion a fully autonomous micro swimmer. The effectiveness of the proposed system is highlighted in the second section: A hydrogel bilayer ribbon capable of direct temperature-to-motion conversion by embedding gold nanorods and leveraging the volume phase transition (VPT) of the gel at 32°C. The differential swelling between the layers induces bending deformation, resulting in curvature inversion across the VPT. This transition drives a shape deformation work cycle, and close to the VPT temperature variations of less than one-third of a centigrade trigger amplified motion, visualized by tracer particles moving faster than Brownian motion. Moreover, it is shown how wedge-shaped bilayer ribbons form conical helices when swollen and extend into filament-like shapes above the hydrogel’s VPT. NIR-light pulses enable rapid temperature cycling and trigger different modes of actuation on both ends of the ribbon. This causes the ribbons to achieve directional locomotion of up to 6 body lengths per seconds, with the wider end leading. By modulating the actuation frequency the motion can be shifted between spinning and translating forward. The dissertation further presents a gold nanorods laden hydrogel disks that swell into a domes with an evenly distributed, azimuthal wrinkling pattern when radially confined by an inextensible annulus. The dome height scales linearly with its base radius, while the wrinkle count follows a power-law relationship with the disk’s aspect ratio. Upon irradiation, the dome flattens, recovering its wrinkled state upon cooling, exhibiting a shape deformation hysteresis. This enables the dome to translate along the substrate, independent of the incident light angle. The dome’s motion also manipulates surrounding microspheres, demonstrating potential for load-carrying and dispersal. The key innovation is a light switchable, bistable hydrogel dome. The design, featuring a PNIPAm hydrogel disk coated with polyacrylate and radially compressed within the annulus, combines active and passive layers for controlled deformation. The annulus creates an energy barrier between two stable states, enabling a snap-through transition. Both states of the dome with the passive layer facing inwards and outwards, respectively, coexist and are distinguishable by a characteristic wrinkling pattern. By maximizing the cooling and heating rate a snap-through transition as low as two milliseconds is observed.

OpenAccess:
PDF
(additional files)