Stress & structure of thin polymer brush films

Polymer brushes have unique properties with a large variety of possible applications ranging from responsive coatings and drug delivery to lubrication and sensing. For further development a detailed understanding of the properties is needed. Established characterization methods, however, only supply information of the surface. Experimental data about the inner “bulk” structure of polymer brushes is still missing.rnScattering methods under grazing incidence supply structural information of surfaces as well as structures beneath it. Nanomechanical cantilevers supply stress data, which is giving information about the forces acting inside the polymer brush film. In this thesis these two techniques are further developed and used to deepen the understanding of polymer brushes. rnThe experimental work is divided into four chapters. Chapter 2 deals with the preparation of polymer brushes on top of nanomechanical cantilever sensors as well as large area sample by using a “grafting-to” technique. The further development of nanomechanical cantilever readout is subject of chapter 3. In order to simplify cantilever sensing, a method is investigated which allows one to perform multiple bending experiments on top of a single cantilever. To do so, a way to correlate different curvatures is introduced as well as a way to conveniently locate differently coated segments. In chapter 4 the change in structure upon solvent treatment of mixed polymer brushes is investigated by using scattering methods and nanomechanical cantilevers amongst others. This allows one to explain the domain memory effect, which is typically found in such systems. Chapter 5 describes the implementation of a phase shifting interferometer - used for readout of nanomechanical cantilevers - into the µ-focused scattering beamline BW4, allowing simultaneous measurements of stress and structure information. The last experimental chapter 6 deals with the roughness correlation in polymer brushes and its dependence on the chain tethered density.rnIn summary, the thesis deals with utilization of new experimental techniques for the investigation of polymer brushes and further development of the techniques themselves.rn

Polymerbürsten haben besondere Eigenschaften mit einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich der schaltbaren Beschichtungen, der Medikamentenverabreichung, als Schmiermittel und als Sensoren. Etablierte Charakterisierungsmethoden ermöglichen nur das Erheben von Informationen über die Probenoberfläche. Experimentelle Daten über die innere Struktur von Polymerbürsten sind bislang nicht vorhanden. Solche Daten sind für eine weitere Entwicklung und ein tieferes Verständnis von Polymerbürsten notwendig.rnRöntgenstreuexperimente unter streifendem Einfall ermöglichen es, Informationen der Oberfläche und der direkt darunterliegenden Strukturen zu erheben. Nanomechanische Cantilever messen die Spannung innerhalb der Polymerbürsten. Die Spannung gibt Auskunft über Kräfte innerhalb der Polymerbürsten. In dieser Arbeit werden diese beiden Methoden weiterentwickelt und angewendet, um ein besseres Verständnis von Polymerbürsten zu erhalten.rnDer experimentelle Teil der Arbeit ist in vier Kapitel unterteilt. Kapitel 2 behandelt die Darstellung von Polymerbürsten auf Nanomechanischen Cantilevern und auf großflächigen Proben mit Hilfe eines "grafting-to" Verfahrens. Die Weiterentwicklung von Nanomechanischen Cantilevern ist Inhalt von Kapitel 3. Um das Messen mit Nanomechanischen Cantilevern zu vereinfachen, wird die Möglichkeit untersucht, mehrere Krümmungsexperimente auf einem einzigen Cantilever durchzuführen. Hierzu wird ein Verfahren zur Korrelation von sich verändernden Krümmungswerten und zur Bestimmung von unterschiedlich beschichteten Cantileversegmenten eingeführt. In Kapitel 4 wird die Änderung der Struktur von gemischten Polymerbürsten durch Behandlung mit Lösungsmitteln untersucht. Dafür werden unter anderem Röntgenstreumethoden und Nanomechanische Cantilever benutzt. Dies ermöglicht es, den zuvor beobachteten "Domain Memory Effect" zu erklären. Kapitel 5 beschreibt das Implementieren eines Interferometers – zum Auslesen von Nanomechanischen Cantilevern – in die Beamline BW4. Dadurch können gleichzeitig Spannungs- und Strukturinformationen erhoben werden. Kapitel 6 beschäftigt sich mit der korrelierten Rauhigkeit von Polymerbürsten und deren Abhängigkeit von der "chain tethered density".rnZusammenfassend behandelt die Arbeit die Anwendung und Weiterentwicklung von neuen Experimentiertechniken zur Untersuchung von Polymerbürstenrn