Lyotrope Quasikristalle von Blockcopolymeren und Nanokompositen

Jurczyk, Tobias; Förster, Stephan Friedrich; Richtering, Walter

doi:10.18154/RWTH-2021-11518

Lyotrope Quasikristalle von Blockcopolymeren und Nanokompositen = Lyotropic quasicrystals of blockcopolymers and nanocomposites

Jurczyk, Tobias^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Jurczyk, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Förster, Stephan Friedrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Richtering, Walter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-10-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-11518
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/836697/files/836697.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Blockcopolymere (frei) ; Kern-Schale-Partikel (frei) ; Nanokomposite (frei) ; Quasikristall (frei) ; Rheo-SANS (frei) ; Rheo-SAXS (frei) ; Rheologie (frei) ; SANS (frei) ; SAXS (frei) ; blockcopolymers (frei) ; core-shell particles (frei) ; lyotrop (frei) ; lyotropic (frei) ; nanocomposites (frei) ; quasicrystal (frei) ; rheology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Anfang der 1980iger Jahre wurden Quasikristalle zuerst bei intermetallischen Phasen beobachtet. Bei Metallen wurden bis heute zahlreiche Quasikristalle entdeckt. Quasikristalle kennzeichnen sich dadurch, dass sie in mindestens einer Dimension nicht periodisch sind. Zudem besitzen sie Rotationssymmetrien, die in der Kristallographie verboten sind. Das Faszinierende an Quasikristallen ist, dass die Atome trotz ihrer nach außen chaotisch erscheinenden Anordnung reguläre Abstände untereinander besitzen, was wie bei Kristallen je nach Winkel zu charakteristischen Streubildern führt. In den letzten Jahren wurden auch im Bereich weiche Materie Quasikristalle bzw. quasikristalline Strukturen beobachtet. Dazu zählen eine dendritische Verbindung, ein Sternpolymer, eine mesoporöse Silikaverbindung, eine Blockcopolymerschmelze und lyotrope Phasen von Mizellen aus Blockcopolymeren. Es gibt aber bis jetzt nur sehr wenige Beispiele im Bereich weiche Materie. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Quasikristalle mit weichen Materialien zu finden. Stabil sind Quasikristalle nur dann, wenn zwei intrinsische Größenskalen vorhanden sind. Kern-Schale-Partikel besitzen zwei Größenskalen. In dieser Arbeit werden zwei Systeme verwendet, die beide zum Typ der Kern-Schale-Partikel gehören: Blockcopolymermizellen und mit Polymer beschichtete Nanopartikel. Die Mizellen bestanden aus Polyisopren-Polystyrol (PI-PS) Blockcopolymeren und die Nanokomposite bestanden aus Eisenoxidnanopartikeln, die mit Polystyrol beschichtet worden sind. Dodecagonale Quasikristalle traten bei Rheo-SAXS Experimenten (oszillatorische Scherung) bei beiden Systemen jeweils in konzentrierter Lösung auf (Lösungmittel: Diethylphthalat), in Abhängigkeit von der Temperatur. Von den Mizellen konnte die Bildung des Quasikristalls am Synchrotron zeitaufgelöst beobachtet werden. Neben dem grundsätzlichen Vorhandensein von zwei Längenskalen, ist das Größenverhältnis von Kernradius zu Gesamtradius der Kern-Schale-Partikel entscheidend, um Quasikristalle zu finden. Die Polymerlänge des Polystyrols von den Nanokompositen war vor der anionischen Polymerisation so gewählt worden, dass ein Größenverhältnis erreicht wird, von dem vermutet worden war, dass es Quasikristalle bildet. Sowohl für die Mizellen als auch für die Nanokomposite ist das Größenverhältnis mit SAXS und SANS bestimmt worden. Außerdem muss die Konzentration der Lösungen so gewählt sein, dass die Kern-Schale-Partikel sich anfangen zu packen und gleichzeitig noch genug Platz zwischen den Partikeln bleibt. Bei den Rheo-SAXS Messungen der Nanokomposite wurde die Stabilität der Quasikristalle untersucht. Bei temperaturabhängigen Rheologiemessungen der konzentrierten Lösungen von beiden Systemen konnten durch Amplituden Sweeps Strains im Bereich des Schnittpunkts des Speichermoduls und des Verlustmoduls als die Strains identifiziert werden, die entscheidend die erfolgreiche Bildung des Quasikristalls bei den anschließenden Rheo-SAXS und Rheo-SANS Experimenten unterstützt haben. Es gibt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Scherbedingungen und Strukturbildung, die im nicht-linearen Bereich der Rheologie stattfindet.

In the 1980s quasicrystals were first observed in intermetallic phases. Several quasicrystals have been discovered in metals by now. Quasicrystals are characterised as being non-periodic in at least one dimension. In addition, they have rotational symmetries which are prohibited in crystallography. Although their structure appears unorganised, the atoms in quasicrystals share regular distances that lead to distinctive scattering images comparable to crystals. Latest research found even quasicrystals and quasicrystalline structures in the field of soft matter, e. g. a dendritic assembly, a star polymer, a mesoporous silica assembly, a block copolymer melt and a lyotropic phase from micelles made of block copolymers. Only a few examples were described so far. The aim of this work was to find new quasicrystals in soft materials. Quasicrystals are only stable when two intrinsic length scales exist. Core-shell particles have two length scales. In this work two systems, both relating to the type of core-shell particles, were used: block copolymer micelles and polymer-coated nanoparticles. The micelles consist of polyisoprene-polystyrene (PI-PS) block copolymers and the nanocomposites consist of iron oxide nanoparticles coated with polystyrene. In rheo-SAXS experiments (oscillatory shearing) dodecagonal quasicrystals occurred in both systems, each in concentrated solution (solvent: diethylphthalate), depending on the temperature. The formation of the quasicrystal by micelles was observed at the synchrotron in time resolution. Besides the general existing of two intrinsic length scales, the proportion of the core radius to the total radius of the core-shell particle is essential to find quasicrystals. Before the anionic polymerisation the polymer length of the polystyrene (nanocomposites) was chosen as assumed proportion to achieve the formation of quasicrystals. Both for the micelles and nanocomposites the proportion was determined by SAXS and SANS. Furthermore, when choosing the concentration of the solutions the following was considered: The core-shell particles need to start assembling themselves while still enough space remains among the particles. During the rheo-SAXS measurements the stability of the quasicrystals (nanocomposites) was investigated. After temperature-dependent rheology measurements (amplitude sweeps) of the concentrated solutions of both systems the intersection point of the elastic and the loss modulus was determined. The strains, identified in the range of the intersection point, decisively supported the successful formation of the quasicrystal during the rheo-SAXS and rheo-SANS experiments. There is a clear correlation between shear conditions and structure formation which occurs in the non-linear range of rheology.

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