Organization, manipulation and motion of brush polymers and low molecular weight amphiphiles at interfaces

Tartsch, Bernd; Möller, Martin

doi:26971

Organization, manipulation and motion of brush polymers and low molecular weight amphiphiles at interfaces = Organisation, Manipulation und Bewegung von Bürstenpolymeren und niedermolekularen Amphiphilen auf Oberflächen

Tartsch, Bernd

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bernd Tartsch

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangXIV, 193 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-08-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-14341
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60816/files/Tartsch_Bernd.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Rasterkraftmikroskopie (frei) ; Bürstenpolymere (frei) ; Micelle (frei) ; Copolymere (frei) ; Sternpolymere (frei) ; Nanopartikel (frei) ; Nanomanipulation (frei) ; Monodendron ummantelte Polymere (frei) ; Spiropyran (frei) ; Selbstorganisation (frei) ; Blockcopolymere (frei) ; Gold-Nanopartikel (frei) ; monodendron jacketed chains (frei) ; self assembly (frei) ; block copolymers (frei) ; star polymers (frei) ; gold nanoparticle (frei) ; organogelators (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Ziel der Arbeit war es die Anordnung, Manipulation und die Bewegung von Bürstenpolymeren auf verschiedenen Substraten mittels der Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Der wesentliche Teil der Arbeit konzentriert sich auf einen ganz bestimmten Polymertypus: die monodendron ummantelten linearen Ketten. Dabei handelt es sich um Polymere mit Methacrylat Rückgrad wobei jeder Monomer eine minidendritsische Einheit enthält, welche am Ende drei Dodecylketten besitzt.Es wurde gezeigt, dass dieses Polymer auf unterschiedlichen Substraten unterschiedliche Adsorption zeigt. Während auf Glimmer eine unbestimmte Adsorption flach liegender Makromoleküle gefunden wird erhält man auf hochorientiertem pyrolitischen Graphit, als auch auf Wolframselenide, eine Anordnung der flach liegenden Makromoleküle mit langen geraden Segmenten die in charakteristischen 60 Grad und 120 Grad Winkeln abknicken. Die geraden Segmente liegen parallel zu den drei durch die Kristallstruktur definierten Achsen des Substrats.Parallel zu diesen Experimenten wurde die Bewegung von einzelnen Molekülen und Molekül-Clustern auf Graphit in in-situ Rasterkraftmikroskopie-Experimenten, im Temperaturbereich von 30-48 Grad Celsius, untersucht. Die Experimente zeigten, dass eine der Diffusion ähnliche Bewegung statt findet. Für die einzelnen Cluster wurden Diffusionskoeffizienten berechnet und deren Bewegung analysiert. Die wesentlichen Erkenntnisse sind: Die Geschwindigkeit der Bewegung nimmt mit abnehmender Clustergröße und zunehmender Temperatur zu. Moleküle welche zusammen stoßen bleiben aneinander kleben und weisen eine große Formbeständigkeit auf. Moleküle welche mit Defekten im Substrat in Kontakt kommen bleiben daran hängen oder werden davon geleitet, indem sie eine eindimensionale Diffusion entlang einer Kante im Graphit ausführen.Es wurden auch spezielle Bewegungsmoden ausfindig gemacht: Molekülcluster, die bevorzugt stäbchenförmige Gestalt mit parallelen Ketten aufweisen zeigen Diffusion bevorzugt rechtwinklig zu den parallelen Ketten. Erklärt werden können all diese Bewegungsmoden mit einem Segment-Bewegungs-Modell.Die externe Stimulation wurde durch die Einbringung von photoschaltbaren Gruppen untersucht. Dazu wurde ein Copolymer mit einem photoschaltbaren Spiropyran synthetisiert. Der Erfolg der Synthese und die Aktivität des Copolymers konnten nachgewiesen werden. Eine Veränderung durch externe Stimulation mittels UV-Licht in in-situ Rasterkraftmikroskopieexperimenten auf verschiedenen Substraten konnte nicht beobachtet werden.Eine andere Art der Stimulierung und damit verbundenen Reaktion wurde für Polymerbürsten mit Butylacrylat Seitenketten gezeigt. Die wurmartig auf dem Glimmersubstrat abgeschiedenen Bürstenpolymere wurden Ethanol-Dämpfen ausgesetzt und kollabierten dabei zu dichten kugelähnlichen Gebilden. Vertreiben der Ethanol-Dämpfe und Einbringung von hoher Luftfeuchtigkeit führte zum Ausspreiten der Bürstenpolymere auf dem Substrat. Dieser Vorgang konnte über mehrere Zyklen wiederholt werden. Die wesentliche Kenngröße für diesen Prozess ist die Oberflächenspannung der verwendeten Lösungsmittel. Besitzt der Lösungsmittelfilm eine kleinere Oberflächenspannung als die Seitenketten so verdrängt er diese und das Bürstenpolymer kollabiert. Im umgekehrten Fall gewinnen die Seitenketten und verdrängen das Lösungsmittel zu Gunsten eines ausgespreizten Bürstenpolymers.

The aim of this thesis was to study the organization, manipulation and motion of brush polymers on different substrates by means of scanning force microscopy.The main part of this work is concentrated on one specific type of polymer: the monodendron jacketed linear chains. This is a polymer with a methacrylate backbone in which each monomer exhibits a minidendritic unit with three dodecyl-chains at the end.A different way of adsorption was shown on different materials. On mica an unspecific adsorption of flat laying molecules was observed, whereas on highly ordered pyrolitic graphite as well as on tungsten selenide an organization of flat laying molecules with long straight segments that bend at 60 degree and 120 degree angles was observed. The straight segments are oriented parallel to the three axes defined by the crystal structure of the substrate.In parallel to these experiments the motion of single molecules and molecular clusters was studied by in-situ SFM experiments in the temperature range of 30 to 48 degree Celsius. The experiments showed motion of the clusters similar to diffusion processes. For each cluster the diffusion coefficient was calculated and the way of motion was analyzed. The main results are: The velocity increases with reduced cluster size and higher temperature. Molecules that collide with others stick together and exhibit a high shape persistence. Molecules coming into contact with defects in the substrate get caught by these and either quit moving or start a one-dimensional guided motion along the step in the graphite.Special motion modes have been identified: molecular clusters with bar shaped conformation containing parallel chains exhibit diffusion predominantly rectangular to the parallel chains. All observed motion modes are explained by a segment motion model.The external stimulation of the mobility was investigated by incorporating of photo-switchable groups. A copolymer with photo-switchable spiropyran was synthesized. The success of the synthesis and the activity of the spiropyran were confirmed. A reaction of the polymer molecules on the external stimulation with UV-light on different substrates in in-situ SFM experiments could not be established.Another way of stimulation and resulting reaction is shown for polymer brushes with butylacrylate side chains. The worm-like brush polymers have been deposited on mica substrates and exposed to ethanol vapour resulting in a collapse to dense packed spherical aggregates. Venting of the chamber to remove the ethanol vapour and exposure to humid air resulted in spreading of brush polymers on the substrate. This behaviour could be shown over several cycles. The characteristic parameter for this transition is the surface tension of the used solvents. Solvents with a smaller surface tension as the side chains push the chains aside resulting in the collapse of the polymer. In the opposite case the side chains win and the result is a spread worm-like brush polymer.

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