Self-assembly of sulfonated amphiphiles for channel-like synthetic membranes

Yan, Linglong; Beginn, Uwe

doi:HT015061574

Self-assembly of sulfonated amphiphiles for channel-like synthetic membranes = Selbsorganisation sulfonierten Amphiphilen für kanalartige synthetische Membranen

Yan, Linglong (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Linglong Yan

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVI, 160 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Prüfungsjahr: 2006. - Publikationsjahr: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Beginn, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-05-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18219
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61650/files/Yan_Linglong.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; columnare Mesophase (frei) ; Organogel (frei) ; keilförmig (frei) ; kanal (frei) ; ionenselektive Membranen (frei) ; columnar liquid crystal (frei) ; wedge-shaped (frei) ; channel (frei) ; ion-selective membrane (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Selbstorganisation ist eine der nützlichsten Methoden, die eine leichte Strategie liefert, um strukturell definierte Funktionsmaterialien zu konstruieren, z.b. ionenselektive Membranen. Hoch selektive Membranen können schließlich eine Grundlage bilden, um einige energie- oder arbeitsintensive Purifikationsprozesse zu ersetzen, und sie können auch spezifische Detektionsprobleme in der Biochemie-, in der Medizin- und in der Umweltanalysetechnologie vereinfachen. In dieser Dissertation wurden eine Reihe keilförmige sulfonierte, sich im Ersetzungsmuster und in der molekularen Symmetrie sowie in der Größe der Kationen unterscheide Moleküle synthetisiert und charakterisiert, um den Selbstorganisation-Prozess besser zu verstehen. Es konnte festgestellt werden, dass das Auftreten der flüssigen Kristallphasen bei diesen Molekülen mehr durch die geometrischen Strukturen der Mesogene als durch die Ionen-Interaktionen zwischen Kationen und sulfonierte Ionen dominiert wird. Die symmetrisch ersetzten alkalisch kationen Sulfonate bilden alle columnare Mesophasen aus. Es wurde auch festgestellt, dass das Zielmolekül mit polymerisiert Gruppen eine hexagonale columnare Mesophase zwischen 115 und 233°C ausbildet. Auch in den halb-polaren Methacrylatlösungsmitteln bei einer Konzentration über 70% wurden eine columnare Mesophase ausgebildet. Durch Copolymerisation dieser hexagonalen columnaren Mesophase ergibt sich einen querverbundene Polymer-Plastik Film, der dauerhaft mit dem Zylindernetz eingebettet wird. Die Membranen mit reichlich vorhandenen sulfonierten Kanälen wurden durch UV-eingeleitete Polymerisation im Zustand der lyotropen columnaren Mesophasen erhalten, ohne die geordneten Zylindervorbereitungen zu verlieren. Die erhaltenen Membranen wurden dann auf ihre Ionentransporteigenschaften hin untersucht. Die Experimente zeigten den Ionentransport durch die Kanäle. Die Kanäle weisen eine inhärente Ionenselektivität auf: Lithiumsalze passieren die Membran stets schneller als Natrium- oder Kalliumsalze. Es wird bestätigt, dass die Diffusion kontrolliert wurde durch Kation-Sulfonat Interaktionen während des Transportes durch die supramolekularen Kanäle. Im letzten Teil der Dissertation wurden sulfonierte Funktionsmembranen mit orientierten Kanälen erzielt und als Modell-System verwendet, um den Mechanismus zu erforschen. Wegen der geometrisch definierten Superstruktur, eröffnet die dargestellte Strategie der Konstruktion Kanalartigen Membranen die Möglichkeit, die Leistung der Membranen für weitere Anwendung zu modifizieren oder abzustimmen.

Self-assembly is one of the most useful techniques, which provide a facile strategy to construct structure-defined functional materials, such as ion-selective membranes. Highly selective membranes can eventually form a basis to replace some energy- or labor-intensive purificatiion processes and can also simplify specific detection problems in the fields of biochemical, medical and even environmental analytical technology. In this dissertation, a series of wedge-shaped sulfonic acid derivatives differing in substitution pattern and molecular symmetry as well as in the size of the cationic count-ions, were synthesized and characterized to give a better understanding of the self-assembly process. From the dependence of transition temperatures and enthalpies on the cation diameter, it is conclusive that the occurrence of mesophases of these compounds is more ruled by the geometric shape of the mesogen than by the ionic interactions between cation and sulfonate anion. For example, the symmetrical substituted alkali metal cationic sulfonates all exhibit columnar mesophases either on melting from the crystalline phase or on annealing at the proper temperature. The target molecule with polymerizable groups was also found to exhibit a hexagonal columnar mesophase between 115°C and 233°C, as well as in semi-polar methacrylate solvents as the concentration exceeded 70wt%. Photo-curing this hexagonal columnar mesophase results in a cross-linked polymer film covalently embedded with the cylinders network. The membranes with abundant sulfonate channels were obtained by photo-initiated polymerization in the state of lyotropic columnar mesophases without losing the ordered columnar arrangements. The ion-transport measurements showed their ability to transport small alkalic cations through the channels. The ion transport rates exhibited a decreasing tendency in the sequence of Lithium > Sodium > Potassium cation. Since in a free solution Lithium cation diffuses slower than sodium cation that diffuses slower than potassium cation, this opposite result is indicative of the transport through the supramolecular channels. It is confirmed that the diffusion became controlled by cation-sulfonate interactions during the transport through the supramolecular channels. In the last part of the dissertation, the sulfonated functional membranes with orientated columnar channels were achieved and used as a model system to investigate the mechanism of cation transport through the supramolecular sulfonated channels. Due to the possession of the geometrically defined superstructure, the presented strategy of constructing the channel-like functional membrane gives the potential to modify or tune the performance of the membranes for further application.

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