Preparation and characterisation of refractory whiskers and selected alumina composites

A whisker is a common name of single crystalline inorganic fibre of small dimensions, typically 0.5-1 μm in diameter and 20-50 μm in length. Whiskers are mainly used as reinforcement of ceramics. This work describes the synthesis and characterisation of new whisker types. Ti0.33Ta0.33Nb0.33CxN1-x, TiB2, B4C, and LaxCe1-xB6 have been prepared by carbothermal vapour–liquid–solid (CTR-VLS) growth mechanisms in the temperature range 900-1800°C, in argon or nitrogen. Generally, carbon and different suitable oxides were used as whisker precursors. The oxides reacted via a carbothermal reduction process. A halogenide salt was added to form gaseous metal halogenides or oxohalogenides and small amount of a transition metal was added to catalyse the whisker growth. In this mechanism, the whisker constituents are dissolved into the catalyst, in liquid phase, which becomes supersaturated. Then a whisker could nucleate and grow out under continuous feed of constituents. The syntheses of TiC, TiB2, and B4C were followed at ordinary synthesis conditions by means of mass spectrometry (MS), thermogravimetry (TG), differential thermal analysis (DTA) and quenching. The main reaction starting temperatures and reaction time for the different mixtures was revealed, and it was found that the temperature inside the crucible during the reactions was up to 100°C below the furnace set-point, due to endothermic nature of the reactions. Quench experiments showed that whiskers were formed already when reaching the temperature plateau, but the yield increased fast with the holding time and reached a maximum after about 20-30 minutes. Growth models for whisker formation have been proposed. Alumina based composites reinforced by (2-5 vol.%) TiCnano and TiNnano and 25 vol.% of carbide, and boride phases (whiskers and particulates of TiC, TiN, TaC, NbC, (Ti,Ta)C, (Ti,Ta,Nb)C, SiC, TiB2 and B4C) have been prepared by a developed aqueous colloidal processing route followed by hot pressing for 90 min at 1700°C, 28 MPa or SPS sintering for 5 minutes at 1200-1600°C and 75 MPa. Vickers indentation measurements showed that the lowest possible sintering temperature is to prefer from mechanical properties point of view. In the TiNnano composites the fracture mode was typically intergranular, while it was transgranular in the SiCnano composites. The whisker and particulate composites have been compared in terms of e.g. microstructure and mechanical properties. Generally, additions of whiskers yielded higher fracture toughness compared to particulates. Composites of commercially available SiC whiskers showed best mechanical properties with a low spread but all the other whisker phases, especially TiB2, exhibited a great potential as reinforcement materials.

Sviluppo di metodi innovativi per la sintesi di nanoparticelle di interesse industriale

Among various nanoparticles, noble metal nanoparticles have attracted considerable attention due to their optical, catalytic and conducting properties. This work has been focused on the development of an innovative method of synthesis for the preparation of metal nanosuspensions of Au, Ag, Cu, in order to achieve stable sols, showing suitable features to allow an industrial scale up of the processes. The research was developed in collaboration with a company interested in the large scale production of the studied nanosuspensions. In order to develop a commercial process, high solid concentration, long time colloidal stability and particle size control, are required. Two synthesis routes, differing by the used solvents, have been implemented: polyol based and water based synthesis. In order to achieve a process intensification the microwave heating has been applied. As a result, colloidal nanosuspensions with suitable dimensions, good optical properties, very high solid content and good stability, have been synthesized by simple and environmental friendly methods. Particularly, due to some interesting results an optimized synthesis process has been patented. Both water and polyol based synthesis, developed in the presence of a reducing agent and of a chelating polymer, allowed to obtain particle size-control and colloidal stability by tuning the different parameters. Furthermore, it has been verified that microwave device, due to its rapid and homogeneous heating, provides some advantages over conventional method. In order to optimize the final suspensions properties, for each synthesis it has been studied the effect of different parameters (temperature, time, precursors concentrations, etc) and throughout a specific optimization action a right control on nucleation and growth processes has been achieved. The achieved nanoparticles were confirmed by XRD analysis to be the desired metal phases, even at the lowest synthesis temperatures. The particles showed a diameter, measured by STEM and dynamic light scattering technique (DLS), ranging from 10 to 60 nm. Surface plasmon resonance (SPR) was monitored by UV-VIS spectroscopy confirming its dependence by nanoparticles size and shape. Moreover the reaction yield has been assessed by ICP analysis performed on the unreacted metal cations. Finally, thermal conductivity and antibacterial activity characterizations of copper and silver sols respectively are now ongoing in order to check their application as nanofluid in heat transfer processes and as antibacterial agent.

Sphärische Bürsten in polymeren Schmelzen

Colloidal nanoparticles are additives to improve or modify several properties of thermoplastic or elastic polymers. Usually colloid-polymer mixtures show phase separation due to the depletion effect. The strategy to overcome this depletion demixing was to prepare surface-modified colloidal particles, which can be blended with linear polymer chains homogeneous. A successful synthesis strategy for the preparation of hairy nanospheres was developed by grafting polystyrene macromonomer chains onto polyorganosiloxane microgels. The number of hairs per particle with a core radius of approximately 10nm exceeded 150 hairs in all cases. The molecular weight of the hairs variied between 4000-18000g/mol.The compatibility of these hairy spheres mixed with linear polymer chains was investigated by AFM, TEM and SAXS. Homogeneous mixtures were found if the molecular weight of the polymer hairs on the particle surface is at least as large as the molecular weight of the matrix chains. If the chains are much shorter than the hairs, the colloidal hair corona is strongly swollen by the matrix polymer, leading to a long-range soft interparticle repulsion ('wet brush'). If hairs and chains are comparable in length, the corona shows much less volume swelling, leading to a short-range repulsive potential similar to hard sphere systems ('dry brush'). Polymerketten und Kolloidpartikel entmischen aufgrund von Depletion-Wechselwirkungen. Diese entropisch bedingte Entmischung konnte durch das Ankoppeln von Polymerhaaren verschiedenen Molekulargewichts auf die Kugeloberflächen der Kolloide bis zu hohen Konzentrationen vermieden werden. Zur Darstellung sphärischer Bürsten und haariger Tracerpartikel wurde eine neue Synthesestrategie ausgearbeitet und erfolgreich umgesetzt.Das Kompatibilitätsverhalten dieser sphärischen Bürsten in der Schmelze von Polymerketten als Matrix wurde mittels Elektronenmikroskopie und Kleinwinkelröntgenstreuung untersucht. Die Mischungen setzten sich aus sphärischen Bürsten und Matrixketten mit unterschiedlichen Molekulargewichten zusammen.Es zeigte sich, daß die Mischbarkeit entschieden durch das Verhältnis von Haarlänge zu Länge der Matrixketten beeinflußt wird.Aus den Untersuchungen des Relaxationsverhaltens mittels Rheologie und SAXS ergibt sich, daß das Konzept der 'dry brush'- und 'wet brush'-Systeme auf diese Mischungen übertragbar ist. Die Volumenquellung der Haarcorona durch die Matrixketten ist, wie die Experimente gezeigt haben, bereits im Fall von Polymeren mit relativ niedrigen Molekulargewichten zu beobachten. Sie ist umso stärker ausgeprägt, je größer das Längenverhältnis zwischen Polymerhaaren und Matrixketten ist. Die Quellung bedeutet eine Vergrößerung des effektiven Radius der Partikel und entspricht somit einer Erhöhung des effektiven Volumenbruchs. Dies führt zur Ausbildung einer höheren Ordnung und zu einem Einfrieren der Relaxation dieser strukturellen Ordnung führt.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Einfluß der internen Architektur von Polymermikronetzwerken auf Struktur und Dynamik konzentrierter Kolloid-Dispersionen

Einfluß der internen Architektur von Polymermikronetzwerken auf Struktur und Dynamik konzentrierter Kolloid-Dispersionen Kugelförmige Polymermikronetzwerk-Kolloide gehören zur Klasse der sogenannten Mikrogele. Dabei handelt es sich um kolloidale Modellsysteme, die durch ihre interne Vernetzungsdichte charakterisiert werden.In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob sich die Wechselwirkungen zwischen den Mikrogel-Kolloiden über ein repulsives Potential der Form U(r) = 1/rn beschreiben lassen und ob der Poten-tialexponent n von der Vernetzungsdichte abhängt. Dazu wurden vor allem die innere Architektur, das Phasenverhalten und der statische Strukturfaktor 1:10, 1:50, 1:72 und 1:100 vernetzter Polymer-Mikronetzwerk-Kolloide bis in den Bereich hochkonzentrierter Dispersionen mit den Mitteln der Kleinwinkelneutronenstreuung, der Digitalphotographie und der statischen Lichtstreuung untersucht. Polymeranalytische Untersuchungen ergaben einen bei der Synthese anfallenden Anteil von unver-netztem, freiem Polymer innerhalb der Mikronetzwerke, welcher sich beim Lösen aus den Netzwerken herausbewegte. Das freie Polymer spielte vor allem beim Phasenverhalten der untersuchten Teilchen eine große Rolle und verursachte bei den Untersuchungen der statischen Strukturfaktoren Abweichun-gen vom 'harte Kugel'-Verhalten. Als Ergebnis der Kleinwinkel-Neutronenstreuung konnte eine ab-nehmende Verteilungsdichte der Vernetzer innerhalb der Polymermikronetzwerke in Richtung der -Teilchenoberfläche nachgewiesen werden. Die damit verbundene Konformationsfreiheit der Polymer-segmente auf der Teilchenoberfläche (bis hin zu 'mushroom'-Strukturen) wurde als Grund dafür an-gesehen, daß sich die Resultate der untersuchten Mikrogele aller Vernetzungsdichten im wesentlichen auf 'harte Kugeln' skalieren lassen.

Polymakromonomere als anisotropes Modellsystem zur Untersuchung kolloidaler Mehrkomponentensysteme

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung des Phasenverhaltens kolloidaler Mehrkomponentensysteme. Konzentrierte und kompatible Mischungen aus linearen Polymerketten und Polymakromonomeren als kolloidanaloge Partikel wurden auf ihre Eignung hin ein kolloidales Glas zu bilden untersucht.Die Synthese der Polymakromonomere erfolgte durch radikalische Polymerisation von Vinylbenzyl-Makromer, was zu zylinderartigen Makromolekülen führt, die auch als molekulare „Flaschenbürsten“ angesehen werden können. Aufgrund der grossen Längen-Polydispersität der Hauptkette wurden die erhaltenen Polymakromonomere mittels Continous Polymer Fractionation (CPF) fraktioniert, was zu Modell-Partikeln von verschiedener Molekülgestalt führte: von kugelförmig über stäbchenförmig bis hin zu wurmartig.Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die „haarige“ Oberfläche der Polymakromonomere zumindestens teilweise die entropisch bedingte Entmischung von Partikeln unterschiedlicher Molekülgestalt, wie Polymerknäuel und stäbchenartige, überwinden kann.Um das dynamische Verhalten zu untersuchen, wurden rheologische Messungen an den Schmelzen verschiedener Kolloid-Polymer-Mischungen ausgeführt. Es zeigte sich, dass Polymakromonomere mit grosser Hauptkettenlänge bzw. wurmartiger Gestalt einen signifikanten Verstärkungseffekt auf die Kolloid-Polymer-Mischung haben.

Realisierung einer 3D-Kreuzkorrelationsanlage zur Untersuchung von Struktur und Dynamik hochkonzentrierter Kolloide

Realisierung einer 3D-Kreuzkorrelationsanlage zur Untersuchung von Struktur und Dynamik hochkonzentrierter Kolloide Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige 3D-Kreuzkorrelationsanlage zur mehrfachstreufreien Untersuchung des diffusiven Verhaltens hochkonzentrierter kolloidaler Suspensionen vorgestellt. Hierzu werden zwei Lichtstreuexperimente gleichzeitig am gleichen Streuvolumen und mit dem gleichen Streuvektor durchgeführt. Aus der so gewonnenen Kreuzkorrelationsfunktion kann das dynamische Verhalten der Kolloide bestimmt werden. Für die Diffusion der Partikel spielen neben der direkten Wechselwirkung elektroviskoser Effekt und die hydrodynamische Wechselwirkung eine entscheidende Rolle. Insbesondere bei hohen Konzentrationen kann keiner der drei Effekte vernachlässigt werden. Die zu messenden Unterschiede in den Diffusionskoeffizienten sind sehr klein. Daher wurde der experimentelle Aufbau detailliert charakterisiert. Hierbei konnten theoretische Überlegungen hinsichtlich des Nachpulsens und der Totzeit der verwendeten Si-Avalanche-Photodioden überprüft werden. Der Kurzzeitselbstdiffusionskoeffizient hochkonzentrierter geladener kolloidaler Suspensionen wurde gemessen. Um die Daten bei hohen Konzentrationen korrekt zu normieren, wurde der elektroviskose Effekt bei geringen Konzentrationen ausführlich untersucht. Hierbei zeigte sich, dass der elektroviskose Einzelteilcheneffekt zu einer monotonen Abnahme des Diffusionskoeffizienten bei abnehmender Ionenstärke führt. Anhand der volumenbruchabhängigen Daten des Kurzzeitselbstdiffusionskoeffizienten konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hydrodynamische Wechselwirkung einen geringeren Einfluss auf die Diffusion hat, falls das direkte Wechselwirkungspotential ein Coulomb-Potential anstelle eines Harte-Kugel-Potentials ist.

Optische Mikroskopie an kolloidalen Suspensionen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen

Kolloidale Suspensionen eignen sich aufgrund der für sierelevanten Längeskalen hervorragend zur Beobachtung mittelsoptischer Mikroskopie. Die Verwendung speziellerKontrastierverfahren kann bestimmte Aspekte kolloidalerStrukturen besonders hervorheben und eine verbesserteAnalyse von Nichtgleichgewichtszuständen in kolloidalenSystemen ermöglichen. Mittels Phasen- und Interferenzkontrast konnte die Ursachedes Kleinwinkelstreumaximums in der Lichtstreuung an einerSuspension aus Mikronetzteilchen auf die unterschiedlichenStrukturfaktoren von Kristall und Korngrenze zurückgeführtwerden.Der Zusammenhang von Struktur und Farbe eingetrockneterMultilagen wurde in hochauflösender Durchlichtmikroskopiedemonstriert und zur Analyse der inneren Struktur derKristalldomänen inklusive von Versetzungen und Stapelfehlernbenutzt.Mit der Polarisationsmikroskopie konnte die Veränderung derPartikelzahldichte um ein Ionentauscherbruchstück auf einenSalzkonzentrationsgradienten zurückgeführt werden. Die Untersuchung kolloidaler Suspensionen in einem Scherfeldmittels Fourier-Mikroskopie lieferte im Bereich fluiderGleichgewichtsstrukturen den Nachweis scherinduzierterhexagonaler Strukturen. Die Ultramikroskopie mit erweiterterSchärfentiefe ermöglichte die direkte Beobachtung desGleitmechanismus von verscherten hexagonalen Lagen und dieKlassifizierung durch die entwickelte2D-Partikelkorrelation. Die Scherung induziert in fluidenStrukturen hexagonale Ordnung und zerstört bei großenScherraten existierende Ordnung. Es wird eineWandstabilisierung der hexagonalen Strukturen beobachtet. Mittels Bragg-Mikroskopie konnte unter Scherung dieHomogenität der Struktur innerhalb der Scherzelledokumentiert werden sowie nach Scherung die Entstehung derGleichgewichts bcc Phase.

Scherverhalten kolloidaler Lagenphasen in Rohrströmungen

Kolloidale Suspensionen aus identischen kugelförmigen, geladenen Partikeln in wässrigen Medien stellen ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Gleichgewichtsverhaltens, aber auch des Nicht-Gleichgewichtsverhaltens Weicher Materie dar. So bilden derartige Systeme bei hinreichend starker und langreichweitiger elektrostatischer Repulsion fluid und kristallin geordnete Strukturen aus, die wegen der weitreichenden Analogie zu atomar kondensierter Materie als kolloidale Fluide und Kristalle bezeichnet werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit zur kontrollierten Einstellung der Wechselwirkung und die gute optische Zugänglichkeit für Mikroskopie und Lichtstreuung sowie die Weichheit der Materialien, aufgrund derer sich auch Zustände fernab des mechanischen Gleichgewichts gezielt präparieren lassen. Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Phasenverhaltens und der Fließmechanismen kolloidaler Kristalle in einer Rohrströmung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass beim Fluss durch eine zylindrische Röhre Mehrphasenkoexistenz auftritt, wobei ein polykristalliner Kern von einer isotropen Scherschmelze umgeben ist. Zusätzlich treten an der Grenze zwischen diesen Phasen und an der Rohrwand Phasen hexagonal geordneter übereinander hinweggleitender Lagen auf. Der Vergleich zwischen auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichung theoretisch berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofilen zeigt, dass jede dieser Phasen für sich Newtonsches Fließverhalten aufweist. Die Gesamtviskosität ist hingegen durch die mit dem Durchsatz veränderliche Phasenzusammensetzung Nicht-Newtonsch. Damit gelang es, die erstmalig von Würth beschriebene Scherverdünnung auf eine Veränderung der Phasenzusammensetzung zurückzuführen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals das Fließverhalten der Lagenphasen mittels Lichtstreuung und Korrelationsanalyse untersucht. Dafür wurde ein im Prinzip einfacher, aber leistungsstarker Aufbau realisiert, der es erlaubt, die zeitliche Veränderung der Bragg-Reflexe der Lagenphase in radialer und azimutaler Richtung zu verfolgen und mittels Fourieranalyse zu analysieren. In Abhängigkeit vom Durchsatz geht die zunächst rastend gleitende Lagenphase in eine frei gleitende Lagenphase über, wobei charakteristische Veränderungen der Spektren sowie der Korrelationsfunktionen auftreten, die detailliert diskutiert werden. Der Übergang im Gleitmechanismus ist mit einem Verlust der Autokorrelation der Rotationskomponente der periodischen Intra-Lagenverzerrung verbunden, während die Kompressionskomponente erhalten bleibt. Bei hohen Durchflüssen lassen die Reflexbewegungen auf das Auftreten einer Eigenschwingung der frei gleitenden Lagen schließen. Diese Schwingung lässt sich als Rotationsbewegung, gekoppelt mit einer transversalen Auslenkung in Vortexrichtung, beschreiben. Die Ergebnisse erlauben eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Modellvorstellungen anderer Autoren.

Confocal microscopy applied to the study of single entity fluorescence and light scattering

A sample scanning confocal optical microscope (SCOM) was designed and constructed in order to perform local measurements of fluorescence, light scattering and Raman scattering. This instrument allows to measure time resolved fluorescence, Raman scattering and light scattering from the same diffraction limited spot. Fluorescence from single molecules and light scattering from metallic nanoparticles can be studied. First, the electric field distribution in the focus of the SCOM was modelled. This enables the design of illumination modes for different purposes, such as the determination of the three-dimensional orientation of single chromophores. Second, a method for the calculation of the de-excitation rates of a chromophore was presented. This permits to compare different detection schemes and experimental geometries in order to optimize the collection of fluorescence photons. Both methods were combined to calculate the SCOM fluorescence signal of a chromophore in a general layered system. The fluorescence excitation and emission of single molecules through a thin gold film was investigated experimentally and modelled. It was demonstrated that, due to the mediation of surface plasmons, single molecule fluorescence near a thin gold film can be excited and detected with an epi-illumination scheme through the film. Single molecule fluorescence as close as 15nm to the gold film was studied in this manner. The fluorescence dynamics (fluorescence blinking and excited state lifetime) of single molecules was studied in the presence and in the absence of a nearby gold film in order to investigate the influence of the metal on the electronic transition rates. The trace-histogram and the autocorrelation methods for the analysis of single molecule fluorescence blinking were presented and compared via the analysis of Monte-Carlo simulated data. The nearby gold influences the total decay rate in agreement to theory. The gold presence produced no influence on the ISC rate from the excited state to the triplet but increased by a factor of 2 the transition rate from the triplet to the singlet ground state. The photoluminescence blinking of Zn0.42Cd0.58Se QDs on glass and ITO substrates was investigated experimentally as a function of the excitation power (P) and modelled via Monte-Carlo simulations. At low P, it was observed that the probability of a certain on- or off-time follows a negative power-law with exponent near to 1.6. As P increased, the on-time fraction reduced on both substrates whereas the off-times did not change. A weak residual memory effect between consecutive on-times and consecutive off-times was observed but not between an on-time and the adjacent off-time. All of this suggests the presence of two independent mechanisms governing the lifetimes of the on- and off-states. The simulated data showed Poisson-distributed off- and on-intensities, demonstrating that the observed non-Poissonian on-intensity distribution of the QDs is not a product of the underlying power-law probability and that the blinking of QDs occurs between a non-emitting off-state and a distribution of emitting on-states with different intensities. All the experimentally observed photo-induced effects could be accounted for by introducing a characteristic lifetime tPI of the on-state in the simulations. The QDs on glass presented a tPI proportional to P-1 suggesting the presence of a one-photon process. Light scattering images and spectra of colloidal and C-shaped gold nano-particles were acquired. The minimum size of a metallic scatterer detectable with the SCOM lies around 20 nm.

Synthesis and characterisation of photoreactive silanes for the self-assembly on functionalised silica surfaces

The aim of this thesis was to investigate novel techniques to create complex hierarchical chemical patterns on silica surfaces with micro to nanometer sized features. These surfaces were used for a site-selective assembly of colloidal particles and oligonucleotides. To do so, functionalised alkoxysilanes (commercial and synthesised ones) were deposited onto planar silica surfaces. The functional groups can form reversible attractive interactions with the complementary surface layers of the opposing objects that need to be assembled. These interactions determine the final location and density of the objects onto the surface. Photolithographically patterned silica surfaces were modified with commercial silanes, in order to create hydrophilic and hydrophobic regions on the surface. Assembly of hydrophobic silica particles onto these surfaces was investigated and finally, pH and charge effects on the colloidal assembly were analysed. In the second part of this thesis the concept of novel, "smart" alkoxysilanes is introduced that allows parallel surface activation and patterning in a one-step irradiation process. These novel species bear a photoreactive head-group in a protected form. Surface layers made from these molecules can be irradiated through a mask to remove the protecting group from selected regions and thus generate lateral chemical patterns of active and inert regions on the substrate. The synthesis of an azide-reactive alkoxysilane was successfully accomplished. Silanisation conditions were carefully optimised as to guarantee a smooth surface layer, without formation of micellar clusters. NMR and DLS experiments corroborated the absence of clusters when using neither water nor NaOH as catalysts during hydrolysis, but only the organic solvent itself. Upon irradiation of the azide layer, the resulting nitrene may undergo a variety of reactions depending on the irradiation conditions. Contact angle measurements demonstrated that the irradiated surfaces were more hydrophilic than the non-irradiated azide layer and therefore the formation of an amine upon irradiation was postulated. Successful photoactivation could be demonstrated using condensation patterns, which showed a change in wettability on the wafer surface upon irradiation. Colloidal deposition with COOH functionalised particles further underlined the formation of more hydrophilic species. Orthogonal photoreactive silanes are described in the third part of this thesis. The advantage of orthogonal photosensitive silanes is the possibility of having a coexistence of chemical functionalities homogeneously distributed in the same layer, by using appropriate protecting groups. For this purpose, a 3',5'-dimethoxybenzoin protected carboxylic acid silane was successfully synthesised and the kinetics of its hydrolysis and condensation in solution were analysed in order to optimise the silanisation conditions. This compound was used together with a nitroveratryl protected amino silane to obtain bicomponent surface layers. The optimum conditions for an orthogonal deprotection of surfaces modified with this two groups were determined. A 2-step deprotection process through a mask generated a complex pattern on the substrate by activating two different chemistries at different sites. This was demonstrated by colloidal adsorption and fluorescence labelling of the resulting substrates. Moreover, two different single stranded oligodeoxynucleotides were immobilised onto the two different activated areas and then hybrid captured with their respective complementary, fluorescent labelled strand. Selective hybridisation could be shown, although non-selective adsorption issues need to be resolved, making this technique attractive for possible DNA microarrays.

Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.

Thin functional conducting polymer films

In the present study, thin functional conducting polyaniline (PANI) films, either doped or undoped, patterned or unpatterned, were prepared by different approaches. The properties of the obtained PANI films were investigated in detail by a combination of electrochemistry with several other techniques, such as SPR, QCM, SPFS, diffraction, etc. The sensing applications (especially biosensing applications) of the prepared PANI films were explored. Firstly, the pure PANI films were prepared by the electropolymerisation method and their doping/dedoping properties in acidic conditions were investigated in detail by a combination of electrochemistry with SPR and QCM. Dielectric constants of PANI at different oxidation states were obtained quantitatively. The results obtained here laid a good foundation for the following investigations of PANI films in neutral pH conditions. Next, PANI multilayer films doped by a variety of materials were prepared by the layer-by-layer method in order to explore their biosensing applications, because of the loss of redox activity of pure PANI in neutral pH conditions. The dopants used include not only the traditionally used linear polyelectrolytes, but also, for the first tim, some other novel materials, like modified gold nanoparticles or modified carbon nanotubes. Our results showed that all the used dopants could form stable multilayer films with PANI. All the obtained PANI multilayer films showed good redox activity in a neutral pH environment, which makes them feasible for bioassays. We found that all the prepared PANI multilayer films can electrocatalyze the oxidation of NADH in neutral conditions at a low potential, although their catalytic efficiencies are different. Among them, PANI/carbon nanotube system showed the highest catalytic efficiency toward the oxidation of NADH, which makes it a good candidate as a NADH sensor. Besides, because some of the prepared PANI multilayer systems were end-terminated with –COOH groups (like PANI/Au nanoparticles system), which can be utilized to easily link biomolecules for biosensing applications. Here, we demonstrated, for the first time, to use the prepared PANI multilayer films for the DNA hybridisation detection. The detection event was monitored either by direct electrochemical method, or by enzyme-amplified electrochemical method, or by surface plasmon enhanced fluorescence spectroscopic method. All the methods can effectively differentiate non-complementary DNA from the complementary ones, even at the single-base mismatch level. It should also be noted that, our success in fabricating PANI multilayer films with modified Au nanoparticles or carbon nanotubes also offered another novel method for incorporating such novel materials into (conducting) polymers. Because of the unique electrochemical and optical properties of each component of the obtained PANI multilayer films, they should also find potential applications in many other fields such as microelectronics, or for electrochromic and photovoltaic devices. Finally, patterned PANI films were fabricated by the combination of several patterning techniques, such as the combination of electrocopolymerization with micromolding in capillaries (EP-MIMIC), the combination of microcontact printing with the layer-by-layer technique (µCP-LBL), and the polystyrene (PS) template induced electropolymerisation method. Using the obtained stripe-shaped PANI/PSS film, a redox-switchable polymer grating based on the surface-plasmon-enhanced mode was constructed and its application in the field of biosensing was explored. It was found that the diffraction efficiency (DE) of the grating was very sensitive to the applied potential (i.e. redox state of the film) as well as the pH environment of the dielectric medium. Moreover, the DE could also be effectively tuned by an electrocatalytic event, such as the electrocatalytic oxidation of NADH by the grating film. By using PS colloidal crystal assemblies as templates, well-ordered 3D interconnected macroporous PANI arrays (PANI inverse opals) were fabricated via electropolymerisation method. The quality of the obtained inverse opals was much higher than those reported by chemical synthesis method. By electrochemical method, the structures of the prepared inverse opals can be easily controlled. To explore the possible biosensing applications of PANI inverse opals, efforts were also done toward the fabrication of PANI composite inverse opals. By selecting proper dopants, high quality inverse opals of PANI composites were fabricated for the first time. And the obtained opaline films remained redox-active in neutral pH conditions, pointing to their possible applications for electrobioassays.

Elektrokinetik konzentrierter kolloidaler Suspensionen

In dieser Arbeit wurden wässrige Suspensionen ladungsstabilisierter kolloidaler Partikel bezüglich ihres Verhaltens unter dem Einfluss elektrischer Felder untersucht. Insbesondere wurde die elektrophoretische Mobilität µ über einen weiten Partikelkonzentrationsbereich studiert, um das individuelle Verhalten einzelner Partikel mit dem bisher nur wenig untersuchten kollektiven Verhalten von Partikelensembles (speziell von fluid oder kristallin geordneten Ensembles) zu vergleichen. Dazu wurde ein superheterodynes Dopplervelocimetrisches Lichtstreuexperiment mit integraler und lokaler Datenerfassung konzipiert, das es erlaubt, die Geschwindigkeit der Partikel in elektrischen Feldern zu studieren. Das Experiment wurde zunächst erfolgreich im Bereich nicht-ordnender und fluid geordneter Suspensionen getestet. Danach konnte mit diesem Gerät erstmals das elektrophoretische Verhalten von kristallin geordneten Suspensionen untersucht werden. Es wurde ein komplexes Fließverhalten beobachtet und ausführlich dokumentiert. Dabei wurden bisher in diesem Zusammenhang noch nicht beobachtete Effekte wie Blockfluss, Scherbandbildung, Scherschmelzen oder elastische Resonanzen gefunden. Andererseits machte dieses Verhalten die Entwicklung einer neuen Auswertungsroutine für µ im kristallinen Zustand notwendig, wozu die heterodyne Lichtstreutheorie auf den superheterodynen Fall mit Verscherung erweitert werden musste. Dies wurde zunächst für nicht geordnete Systeme durchgeführt. Diese genäherte Beschreibung genügte, um unter den gegebenen Versuchbedingungen auch das Lichtstreuverhalten gescherter kristalliner Systeme zu interpretieren. Damit konnte als weiteres wichtiges Resultat eine generelle Mobilitäts-Konzentrations-Kurve erhalten werden. Diese zeigt bei geringen Partikelkonzentrationen den bereits bekannten Anstieg und bei mittleren Konzentrationen ein Plateau. Bei hohen Konzentrationen sinkt die Mobilität wieder ab. Zur Interpretation dieses Verhaltens bzgl. Partikelladung stehen derzeit nur Theorien für nicht wechselwirkende Partikel zur Verfügung. Wendet man diese an, so findet man eine überraschend gute Übereinstimmung der elektrophoretisch bestimmten Partikelladung Z*µ mit numerisch bestimmten effektiven Partikelladungen Z*PBC.

Nanostructuring by templated synthesis of nanowires and controlled crystallization of calcium phosphate on self-assembled monolayers

The idea was to obtain nanowires in a chemical laboratory under convenient and simple conditions by employing templates. Thus it was possible to produce nanochains by interlinking of gold colloids synthesized by the two-phase-method of M. Brust with by making use of vanadiumoxide nanotubes as template. The length of the resulting nanowires is varying between 1100 nm and 200 nm with a diameter of about 16 nm. Due to a flexible linker the obtained nanowires are not completely rigid. These unique structural features could make them interesting objects for structuring and assembling in the nanoscale range. Another way to produce gold nanowires was realized by a two-step surface metallization procedure, using type I collagen fibres as a template. Gold colloids were used to label the collagen fibres by direct electrostatic interaction, followed by growth steps to enhance the size of the adsorbed colloidal gold crystals, resulting in a complete metallization of the template surface. The length of the resulting gold nanowires reaches several micrometers, with a diameter ~ 100 to 120 nm. To gain a deeper insight into the process of biomineralization the cooperative effect of self-assembled monolayers as substrate and a soluble counterpart on the nucleation and crystal growth of calcium phosphate was studied by diffusion techniques with a pH switch as initiator. As soluble component Perlucin and Nacrein were used. Both are proteins originally extracted from marine organisms, the first one from the Abalone shell and the second one from oyster pearls. Both are supposed to facilitate the calcium carbonate formation in vivo. Studies with Perlucin revealed that this protein shows a clear cooperative effect at a very low concentration with a hydrophobic surface promoting the calcium phosphate precipitation resulting in a sponge like structure of hydroxyapatite. The Perlucin molecule is very flexible and is unfolded by adsorbing to the hydrophobic surface and uncovers its active side. Hydrophilic surfaces did not have a deeper impact. Studies with Nacrein as additive have shown that the protein stabilizes octacalcium phosphate at room temperature on carboxylic self-assembled monolayer and at 34 °C on all other employed surfaces by interaction with the mineral. On the hydroxyl-, alkyl-, and amin-terminated self-assembled monolayers at room temperature the octacalcium phosphate get transformed to hydroxyapatite. Main analytical techniques which are used in this work are transmission electron microscopy, high resolution scanning electron microscopy, surface plasmon resonance spectroscopy, atomic force microscopy, Raman micro-spectroscopy and quartz crystal microbalance.