Aggregation of hybrid molecules and film formation of colloidal monolayers

A unique characteristic of soft matter is its ability to self-assemble into larger structures. Characterizing these structures is crucial for their applications. In the first part of this work, I investigated DNA-organic hybrid material by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS). DNA-organic hybrid materials, a novel class of hybrid materials composed of synthetic macromolecules and oligodeoxynucleotide segmenta, are mostly amphiphilic and can self-assemble into supramolecular structures in aqueous solution. A hybrid material of a fluorophore, perylenediimide (PDI), and a DNA segment (DNA-PDI) has been developed in Prof. A. Hermann’s group (University of Groningen). This novel material has the ability to form aggregates through pi-pi stacking between planar PDIs and can be traced in solution due to the fluorescence of PDI. I have determined the diffusion coefficient of DNA-PDI conjugates in aqueous solution by means of FCS. In addition, I investigated whether such DNA-PDIs form aggregates with certain structure, for instance dimers. rnOnce the DNA hybrid material self-assemble into supermolecular structures for instance into micelles, the single molecules do not necessarily stay in one specific micelle. Actually, a single molecule may enter and leave micelles constantly. The average residence time of a single molecule in a certain micelle depends on the nature of the molecule. I have chosen DNA-b-polypropylene oxide (PPO) as model molecules and investigated the residence time of DNA-b-PPO molecules in their according micelles by means of FCCS.rnBesides the DNA hybrid materials, polymeric colloids can also form ordered structures once they are brought to an air/water interface. Here, hexagonally densely packed monolayers can be generated. These monolayers can be deposited onto different surfaces as coating layers. In the second part of this work, I investigated the mechanical properties of such colloidal monolayers using micromechanical cantilevers. When a coating layer is deposited on a cantilever, it can modify the elasticity of the cantilever. This variation can be reflected either by a deflection or by a resonance frequency shift of the cantilever. In turn, detecting these changes provides information about the mechanical properties of the coating layer. rnIn the second part of this work, polymeric colloidal monolayers were coated on a cantilever and homogenous polymer films of a few hundred nanometers in thickness were generated from these colloidal monolayers by thermal annealing or organic vapor annealing. Both the film formation process and the mechanical properties of these resulting homogenous films were investigated by means of cantilever. rnElastic property changes of the coating film, for example upon absorption of organic vapors, induce a deflection of the cantilever. This effect enables a cantilever to detect target molecules, when the cantilever is coated with an active layer with specific affinity to target molecules. In the last part of this thesis, I investigated the applicability of suitably functionalized micromechanical cantilevers as sensors. In particular, glucose sensitive polymer brushes were grafted on a cantilever and the deflection of this cantilever was measured during exposure to glucose solution. rn

Computersimulationen zum Einfluss topologischer Beschränkungen auf Polymere

Topologische Beschränkungen beeinflussen die Eigenschaften von Polymeren. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit Hilfe von Computersimulationen im Detail untersucht, inwieweit sich die statischen Eigenschaften von kollabierten Polymerringen, Polymerringen in konzentrierten Lösungen und aus Polymerringen aufgebauten Bürsten mit topologischen Beschränkungen von solchen ohne topologische Beschränkungen unterscheiden. Des Weiteren wird analysiert, welchen Einfluss geometrische Beschränkungen auf die topologischen Eigenschaften von einzelnen Polymerketten besitzen. Im ersten Teil der Arbeit geht es um den Einfluss der Topologie auf die Eigenschaften einzelner Polymerketten in verschiedenen Situationen. Da allerdings gerade die effiziente Durchführung von Monte-Carlo-Simulationen von kollabierten Polymerketten eine große Herausforderung darstellt, werden zunächst drei Bridging-Monte-Carlo-Schritte für Gitter- auf Kontinuumsmodelle übertragen. Eine Messung der Effizienz dieser Schritte ergibt einen Beschleunigungsfaktor von bis zu 100 im Vergleich zum herkömmlichen Slithering-Snake-Algorithmus. Darauf folgt die Analyse einer einzelnen, vergröberten Polystyrolkette in sphärischer Geometrie hinsichtlich Verschlaufungen und Knoten. Es wird gezeigt, dass eine signifikante Verknotung der Polystrolkette erst eintritt, wenn der Radius des umgebenden Kapsids kleiner als der Gyrationsradius der Kette ist. Des Weiteren werden sowohl Monte-Carlo- als auch Molekulardynamiksimulationen sehr großer Ringe mit bis zu einer Million Monomeren im kollabierten Zustand durchgeführt. Während die Konfigurationen aus den Monte-Carlo-Simulationen aufgrund der Verwendung der Bridging-Schritte sehr stark verknotet sind, bleiben die Konfigurationen aus den Molekulardynamiksimulationen unverknotet. Hierbei zeigen sich signifikante Unterschiede sowohl in der lokalen als auch in der globalen Struktur der Ringpolymere. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Skalierungsverhalten des Gyrationsradius der einzelnen Polymerringe in einer konzentrierten Lösung aus völlig flexiblen Polymerringen im Kontinuum untersucht. Dabei wird der Anfang des asymptotischen Skalierungsverhaltens, welches mit dem Modell des “fractal globules“ konsistent ist, erreicht. Im abschließenden, dritten Teil dieser Arbeit wird das Verhalten von Bürsten aus linearen Polymeren mit dem von Ringpolymerbürsten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Struktur und das Skalierungsverhalten beider Systeme mit identischem Dichteprofil parallel zum Substrat deutlich voneinander abweichen, obwohl die Eigenschaften beider Systeme in Richtung senkrecht zum Substrat übereinstimmen. Der Vergleich des Relaxationsverhaltens einzelner Ketten in herkömmlichen Polymerbürsten und Ringbürsten liefert keine gravierenden Unterschiede. Es stellt sich aber auch heraus, dass die bisher verwendeten Erklärungen zur Relaxationsverhalten von herkömmlichen Bürsten nicht ausreichen, da diese lediglich den anfänglichen Zerfall der Korrelationsfunktion berücksichtigen. Bei der Untersuchung der Dynamik einzelner Monomere in einer herkömmlichen Bürste aus offenen Ketten vom Substrat hin zum offenen Ende zeigt sich, dass die Monomere in der Mitte der Kette die langsamste Relaxation besitzen, obwohl ihre mittlere Verrückung deutlich kleiner als die der freien Endmonomere ist.

Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Synthese und Charakterisierung zylindrischer Poly(2-oxazolin)bürsten als Nanocarrier für Drug Delivery Systeme

Inspiriert durch natürlich vorkommende Peptide, sind Poly(2-oxazoline) vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in Bereichen des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes, wie die moderne Biomedizin dies fordert. Da Polyoxazoline als strukturisomere Amide von natürlichen Polypeptiden aufgefasst werden können, zeigen diese synthetischen Polymere in direktem Vergleich erhebliche Vorteile etwa hinsichtlich Zytotoxizät und Effizienz, was wesentlich dazu beitragen kann, aktuelle Hürden biomedizinischer Fragestellungen hinsichtlich Transport und Targeting zu überwinden. Darüber hinaus sollten zylindrische Polymerbürsten aufgrund ihrer molekularen, architekturbedingten Formanisotropie und jüngsten Ergebnissen insbesondere zur formabhängigen Endozytose sehr aussichtsreiche Kandidaten für den Einsatz zum Wirkstofftransport sein.rnrnDie vorliegende Arbeit widmete sich deshalb der Synthese und Charakterisierung von biokompatiblen zylindrischen Poly(2-oxazolin)bürsten als potentielle Nanotransporter von Wirkstoffen, Biomolekülen oder genetischem Material. Als Monomer wurde zunächst 2-Isopropyloxazolin gewählt, da das Polymer eine Phasenübergangstemperatur von 37 °C besitzt, was für Konjugatsynthesen wie auch diverse biomedizinische Applikationen interessant sein kann. Durch terminierende Methacrylamid Funktionalisierung der lebenden kationischen Oxazolinpolymerisation bzw. nachfolgende Endgruppen Transferreaktionen sind Makromonomere im Bereich 1000-5000 g/mol zugänglich. Erstmals gelang es so 2-Oxazolin basierte, hochmolekulare zylindrische Bürsten mit Konturlängen im Bereich von 250 nm mittels „Grafting Through“ Technik in freier radikalischer Polymerisation herzustellen.rnrnAusgehend von der entwickelten Syntheseroute konnten so neben Homo- und Blockcopolymerbürsten von 2-Ethyl-2-oxazolin und 2-Isopropyl-2-oxazolin auch Bürstenmoleküle aus statistischen Copolymeren von 2-Ethyl-2-oxazolin und unsubstituiertem 2-Oxazolin hergestellt werden. Während letztere die Einführung kationischer Gruppen durch selektivere Abspaltmethoden der Formylreste erlauben und so etwa DNA/RNA Komplexierungen ermöglichen können, bietet andererseits der in dieser Arbeit erstmalig demonstrierte Einsatz Azid-funktionalisierter Initiatoren zur kationischen Oxazolinpolymerisation unter Beibehaltung aller anderen sonstigen Reaktionsschritte auch die Möglichkeit der Synthese Azid-Endgruppen-funktionalisierter Makromonomere. Die „Grafting Through“ Methodik der freien radikalischen Makromonomer Polymerisation ist selbst bei diesen funktionalisierten Systemen von großem Vorteil, erlaubt sie auch hier den Zugang zu hochmolekularen Substraten mit einem Pfropfungs- bzw. Funktionalisierungsgrad von 100 %, da jede Seitenkette dieser zylindrischen Bürsten die aussenliegende, und damit sterisch leichter zugängliche funktionale Gruppe trägt. Dabei gelang es die Syntheseroute so zu gestalten, dass es möglich war alle vorgestellten Polymerbürsten mittels statischer und dynamischer Lichtstreuung hinsichtlich absoluter Molmasse und molekularer Dimension zu charakterisieren.rnIn weitereren Reaktionen konnten dann reaktive Fluoreszenzfarbstoffe mit Hilfe kupferfreier 1,3 dipolarerer Addition (kupferfreie „Click-Chemie“) an die Azid-funktionalisierten Polymerbürsten angebunden werden, so dass eine wesentliche Voraussetzung für die Detektion in in vivo und in vitro Experimenten erfüllt werden kann. Darüber hinaus gelingt die quantitative polymeranaloge Umsetzung der Azid- zu Aminogruppen durch eine polymeranalog geführte Reduktion nach Staudinger; damit können an diesen Systemen auch etablierte Konjugationstechniken an Aminogruppen durchgeführt werden. Zudem erlauben die Aminogruppen-haltigen Polymerbürsten durch Protonierung schon bei physiologischem pH die Komplexierung von DNA oder RNA. rnrnErste Lichtstreumessungen in Blutserum zeigen im Falle der kationischen Aminogruppen tragenden Polymerbürsten zwar Aggregation, was aber durch entsprechende Umsetzung nach Konjugation wahrscheinlich unterdrückt werden kann, zeigen doch die entsprechenden Precursorpolymerbürsten mit Azidgruppen in Serum keinerlei Aggregation.rnrnZellaufnahmestudien in dendritische Zellen zeigen nur im Falle einer Azid-funktionalisierten Poly(2-isopropyl-2-oxazolin)bürste eine unspezifische Aufnahme. Die hydrophileren Poly(2-oxazolin)bürsten weise keine unspezifische Aufnahme auf, was eine wichtige Anfoderung für die Verwendung als Polymercarrier in der Krebsimmuntherapie ist.rn

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit polypept(o)idischen Seitenketten als nanopartikuläre Trägersysteme

Zylindrische Polymerbürsten mit pept(o)idischen Seitenketten sind auf Grund ihrer elongierten Topologie, Bioverträglichkeit und hohen Dichte an funktionellen Gruppen vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes.In dieser Arbeit wurden Polylysin und Polysarkosin als Bestandteile der Seitenketten verwendet. Polylysin dient als positiv geladener Polypeptidblock für die Komplexierung von Polynukleotiden. Polysarkosin reduziert mit seinem „Stealth“-Effekt die Toxizität des Trägersystems und vermindert Wechselwirkungen mit dem Immunsystem. Über den „grafting from“-Ansatz und mit Hilfe der ringöffnenden NCA-Polymerisation konnten erstmals zylindrische Bürsten mit reinen Polysarkosin-Seitenketten sowie mit amphiphilen Seitenketten aus einem Polylysinkern und einer Polysarkosinschale hergestellt werden. Die Bürsten wurden mittels Lichtstreuung, GPC, CD-Spektroskopie und AFM charakterisiert. Die hohe Biokompatibilität beider Bürsten konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden.Die Polysarkosin-Bürsten konnten zusätzlich an den Seitenkettenenden mit Azidgruppen funktionalisiert werden, welche eine effektive Biokonjugation ermöglichen. Die zylindrischen Bürsten zeigten nach ihrer Modifikation keine unspezifische Aufnahme in dendritische Zellen und könnten somit als Ausgangssubstanzen für die Synthese polymerbasierter Antikörper-Antigen-Konjugate in der Krebsimmuntherapie verwendet werden.Die Kern-Schale-Bürsten konnten erfolgreich mit siRNA komplexiert werden, ohne dass dabei eine Aggregation auftrat. In ersten Gen-Knockdown-Experimenten zeigten ihre Komplexe eine signifikante Verminderung der ApoB100-Proteinexpression in AML-12 Hepatozyten und könnten daher zukünftig als Transfektionsmittel in der Gentherapie ihren Einsatz finden.

Formation of sub-7 nm feature size PS-b-P4VP block copolymer structures by solvent vapour process

The nanometer range structure produced by thin films of diblock copolymers makes them a great of interest as templates for the microelectronics industry. We investigated the effect of annealing solvents and/or mixture of the solvents in case of symmetric Poly (styrene-block-4vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblock copolymer to get the desired line patterns. In this paper, we used different molecular weights PS-b-P4VP to demonstrate the scalability of such high χ BCP system which requires precise fine-tuning of interfacial energies achieved by surface treatment and that improves the wetting property, ordering, and minimizes defect densities. Bare Silicon Substrates were also modified with polystyrene brush and ethylene glycol self-assembled monolayer in a simple quick reproducible way. Also, a novel and simple in situ hard mask technique was used to generate sub-7nm Iron oxide nanowires with a high aspect ratio on Silicon substrate, which can be used to develop silicon nanowires post pattern transfer.

Microcantilever arrays functionalised with spiropyran photoactive moieties as systems to measure photo-induced surface stress changes

[EN] Herein we investigate the feasibility of detecting photo-induced surface stress changes using the deflection response of cantilevers. For this purpose, silicon microcantilevers have been functionalised with spiropyran photochromic molecules, using both a monolayer and a polymeric brushes approach. Uponultraviolet light irradiation, the spiropyran unit is converted to the merocyanine form due to the photo-induced cleavage of the Cspiro-O bond. The two forms of the molecule have dramatically different charge,polarity and molecular conformations. This makes spiropyrans an ideal system to study the correlation between photo-induced molecular changes and corresponding changes in surface stress. Our investigations include monitoring the changes in static cantilever deflection, and consequently, surface stress of the spiropyran functionalised cantilevers on exposure to ultraviolet light. Cantilever deflection data reveals that ultraviolet induced conformational changes in the spiropyran moiety cause a change incompressive surface stress and this varies with the type of functionalisation method implemented. The change in surface stress response from the spiropyran polymer brushes functionalised cantilevers gives an average surface stress change of 98 Nm−1(n = 24) while the spiropyran monolayer coated cantilevers have an average surface stress change of about 446 Nm−1(n = 8) upon irradiation with UV light.

Chiroptical spectroscopy of biomolecules using chiral plasmonic nanostructures

This thesis explores the potential of chiral plasmonic nanostructures for the ultrasensitive detection of protein structure. These nanostructures support the generation of fields with enhanced chirality relative to circularly polarised light and are an extremely incisive probe of protein structure. In chapter 4 we introduce a nanopatterned Au film (Templated Plasmonic Substrate, TPS) fabricated using a high through-put injection moulding technique which is a viable alternative to expensive lithographically fabricated nanostructures. The optical and chiroptical properties of TPS nanostructures are found to be highly dependent on the coupling between the electric and magnetic modes of the constituent solid and inverse structures. Significantly, refractive index based measurements of strongly coupled TPSs display a similar sensitivity to protein structure as previous lithographic nanostructures. We subsequently endeavour to improve the sensing properties of TPS nanostructures by developing a high through-put nanoscale chemical functionalisation technique. This process involves a chemical protection/deprotection strategy. The protection step generates a self-assembled monolayer (SAM) of a thermally responsive polymer on the TPS surface which inhibits protein binding. The deprotection step exploits the presence of nanolocalised thermal gradients in the water surrounding the TPS upon irradiation with an 8ns pulsed laser to modify the SAM conformation on surfaces with high net chirality. This allows binding of biomaterial in these regions and subsequently enhances the TPS sensitivity levels. In chapter 6 an alternative method for the detection of protein structure using TPS nanostructures is introduced. This technique relies on mediation of the electric/magnetic coupling in the TPS by the adsorbed protein. This phenomenon is probed through both linear reflectance and nonlinear second harmonic generation (SHG) measurements. Detection of protein structure using this method does not require the presence of fields of enhanced chirality whilst it is also sensitive to a larger array of secondary structure motifs than the measurements in chapters 4 and 5. Finally, a preliminary investigation into the detection of mesoscale biological structure is presented. Sensitivity to the mesoscale helical pitch of insulin amyloid fibrils is displayed through the asymmetry in the circular dichroism (CD) of lithographic gammadions of varying thickness upon adsorption of insulin amyloid fibril spherulites and fragmented fibrils. The proposed model for this sensitivity to the helical pitch relies on the vertical height of the nanostructures relative to this structural property as well as the binding orientation of the fibrils.

Responsive brushes and gels as components of soft nanotechnology

Progress in the development of generic molecular devices based on responsive polymers is discussed. Characterisation of specially synthesised polyelectrolyte gels, "grafted from" brushes and triblock copolymers is reported. A Landolt pH-oscillator, based on bromate/ sulfite/ferrocyanide, with a room temperature period of 20 min and a range of 3.1 responsive hydrogel. The gel is coupled to the reaction and changes volume by a factor of at least 6. A continuously stirred, constant volume, tank reactor was set-up on an optical microscope and the reaction pH and gel size monitored. The cyclic force generation of this system has been measured directly in a modified JKR experiment. The responsive nature of polyelectrolyte brushes, grown by surface initiated ATRP, have been characterised by scanning force microscopy, neutron reflectometry and single molecule force measurements. Triblock copolymers, based on hydrophobic end-blocks and either polyacid or polybase mid-block, have been used to produce polymer gels where the deformation of the molecules can be followed directly by SAXS and a correlation between molecular shape change and macroscopic deformation has been established. The three systems studied allow both the macroscopic and a molecular response to be investigated independently for the crosslinked gels and the brushes. The triblock copolymers demonstrate that the individual response of the polyelectrolyte molecules scale-up to give the macroscopic response of the system in an oscillating chemical reaction.

Effect of block sequence and block length on the stimuli-responsive behavior of polyampholyte brushes: hydrogen bonding and electrostatic interaction as the driving force for surface rearrangement

Diblock polyampholyte brushes with different block sequences (Si/SiO2/poly(acrylic acid)-b-poly (2-vinylpyridine) (PAA-b-P2VP) brushes and Si/SiO2/P2VP-b-PAA brushes) and different block lengths were synthesized by sequent surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP). The PAA block was obtained through hydrolysis from the corresponding poly(tert-butyl acrylate). The polyampholyte brushes demonstrated unique pH-responsive behavior. In the intermediate pH region, the brushes exhibited a less hydrophilic wetting behavior and a rougher surface morphology due to the formation of polyelectrolyte complex through electrostatic interaction between oppositely charged blocks. In the low pH and high pH regions, the rearrangement of polyampholyte brushes showed great dependence on the block sequence and block length. The polyampholyte brushes with P2VP-b-PAA sequence underwent rearrangement during alternative treatment by acidic aqueous solution (low pH value) and basic aqueous solution (high pH value).

Stimuli-responsive polyelectrolyte block copolymer brushes synthesized from the si wafer via atom-transfer radical polymerization

Surface-tethered oppositely charged weak polyelectrolyte block copolymer brushes composed of poly(2-vinyl pyridine) (P2VP) and poly(acrylic acid) (PAA) were grown from the Si wafer by atom-transfer radical polymerization. The P2VP-b-PAA brushes were prepared through hydrolysis of the second PtBA block to the corresponding acrylic acid. The P2VP-b-PAA brushes with different PAA block length were obtained. The P2VP-b-PAA brushes revealed a unique reversible wetting behavior with pH. The difference between the solubility parameters for P2VP and PAA, the changes of surface chemical composition and surface roughness, and the reversible wetting behavior illustrated that the surface rearrangement occurred during treatment of the P2VP-b-PAA brushes by aqueous solution with different pH value. The reversible properties of the P2VP-b-PAA brushes can be used to regulate the adsorption of the sulfonated PS nanoparticles.

Responsive Bürstenpolymere

'Responsive' Bürstenpolymere Bürstenpolymere sind definiert verzweigte Makromoleküle, die aus einer Hauptkette und vielen darauf (kovalent) gepfropften Seitenketten bestehen; ist der Pfropfungsgrad hoch und die Hauptkette wesentlich länger als die Seitenketten, dann haben sie die Form semiflexibler molekularer Zylinder. Lassen sich Form bzw. Ausdehnung eines solchen Zylinders gezielt ansteuern, dann könnten diese Moleküle entweder als (Nano-)Sensoren für die entsprechende Umgebungsbedingung oder als molekulare Motoren eingesetzt werden. Die Idee responsiver Bürstenpolymere beruht auf folgender Überlegung: Die gestreckte Konformation der Hauptkette ist entropisch gegenüber einem entsprechenden Knäuel benachteiligt, weshalb sie ,molekulare Federn‘ darstellen, die auf Änderung der repulsiven Wechselwirkung zwischen den Seitenketten reagieren. Dies wurde für den Wechsel zwischen gutem und schlechtem Lösungsmitteln untersucht. Ein zweites Konzept zur Änderung der Molekülform beruht auf der intramolekularen Phasentrennung (,Segmentbildung‘) miteinander unverträglicher Seitenketten in selektiven Lösungsmitteln, da die Hauptkette durch Ausbildung von Mikrophasen entlang des Moleküls ebenfalls aus ihrer gestreckten Form gebracht werden sollte. Die dritte Möglichkeit zur Änderung der Konformation ist die intramolekulare Vernetzung von Seitenketten, die ebenfalls zu verringerter Abstoßung und damit zur Verkürzung der Zylinder führen sollte. Eine weitere wichtige Untersuchung der Arbeit war der Übergang einer geknäuelten Hauptkette zu einer gestreckten Bürste als Funktion der Pfropfdichte. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden zylindrische Bürstenpolymere durch ,Grafting Trough‘ und ,Grafting Onto‘ synthetisiert (PS bzw. PI/PS und PnBMA/PMAA mit Kern/Schale- und ,Segment‘-Architektur) und systematisch Pfropfdichte, Vernetzungsgrad (Vernetzung durch gamma-Bestrahlung) und Lösungsbedingungen verändert. Die Möglichkeit gezielter Ansteuerung der Konformationsänderung durch Vernetzung konnte nach polymeranaloger Modifikation von PI/PS-Bürstenpolymeren durch Photovernetzung und vernetzende Komplexierung erfolgreich bestätigt werden. Zur Untersuchung der Probenreihen wurden AFM, Licht- und Neutronenstreuung herangezogen. Die Analysen bestätigten konsistent die Änderung von Steifigkeit, Zylinderquerschnitt und Streckung der Hauptkette durch Variation von Pfropfdichte, Vernetzung und Lösungsmittelqualität. Für die Änderung der Pfropfdichte gehorchen die Parameter dabei Potenzgesetzen.

Photochemical design of stimuli-responsive nanoparticles prepared by supramolecular host–guest chemistry

We introduce the design of a thermoresponsive nanoparticle via sacrificial micelle formation based on supramolecular host–guest chemistry. Reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was employed to synthesize well-defined polymer blocks of poly(N,N-dimethylacrylamide) (poly(DMAAm)) (Mn,SEC = 10 700 g mol–1, Đ = 1.3) and poly(N-isopropylacrylamide) (poly(NiPAAm)) (Mn,SEC = 39 700 g mol–1, Đ = 1.2), carrying supramolecular recognition units at the chain termini. Further, 2-methoxy-6-methylbenzaldehyde moieties (photoenols, PE) were statistically incorporated into the backbone of the poly(NiPAAm) block as photoactive cross-linking units. Host–guest interactions of adamantane (Ada) (at the terminus of the poly(NiPAAm/PE) chain) and β-cyclodextrin (CD) (attached to the poly(DMAAm chain end) result in a supramolecular diblock copolymer. In aqueous solution, the diblock copolymer undergoes micellization when heated above the lower critical solution temperature (LCST) of the thermoresponsive poly(NiPAAm/PE) chain, forming the core of the micelle. Via the addition of a 4-arm maleimide cross-linker and irradiation with UV light, the micelle is cross-linked in its core via the photoinduced Diels–Alder reaction of maleimide and PE units. The adamantyl–cyclodextrin linkage is subsequently cleaved by the destruction of the β-CD, affording narrowly distributed thermoresponsive nanoparticles with a trigger temperature close to 30 °C. Polymer chain analysis was performed via size exclusion chromatography (SEC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and dynamic light scattering (DLS). The size and thermoresponsive behavior of the micelles and nanoparticles were investigated via DLS as well as atomic force microscopy (AFM).

Polymer Protected Gold Nanoparticles

Polymer protected gold nanoparticles have successfully been synthesized by both "grafting-from" and "grafting-to" techniques. The synthesis methods of the gold particles were systematically studied. Two chemically different homopolymers were used to protect gold particles: thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM, and polystyrene, PS. Both polymers were synthesized by using a controlled/living radical polymerization process, reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization, to obtain monodisperse polymers of various molar masses and carrying dithiobenzoate end groups. Hence, particles protected either with PNIPAM, PNIPAM-AuNPs, or with a mixture of two polymers, PNIPAM/PS-AuNPs (i.e., amphiphilic gold nanoparticles), were prepared. The particles contain monodisperse polymer shells, though the cores are somewhat polydisperse. Aqueous PNIPAM-AuNPs prepared using a "grafting-from" technique, show thermo-responsive properties derived from the tethered PNIPAM chains. For PNIPAM-AuNPs prepared using a "grafting-to" technique, two-phase transitions of PNIPAM were observed in the microcalorimetric studies of the aqueous solutions. The first transition with a sharp and narrow endothermic peak occurs at lower temperature, and the second one with a broader peak at higher temperature. In the first transition PNIPAM segments show much higher cooperativity than in the second one. The observations are tentatively rationalized by assuming that the PNIPAM brush can be subdivided into two zones, an inner and an outer one. In the inner zone, the PNIPAM segments are close to the gold surface, densely packed, less hydrated, and undergo the first transition. In the outer zone, on the other hand, the PNIPAM segments are looser and more hydrated, adopt a restricted random coil conformation, and show a phase transition, which is dependent on both particle concentration and the chemical nature of the end groups of the PNIPAM chains. Monolayers of the amphiphilic gold nanoparticles at the air-water interface show several characteristic regions upon compression in a Langmuir trough at room temperature. These can be attributed to the polymer conformational transitions from a pancake to a brush. Also, the compression isotherms show temperature dependence due to the thermo-responsive properties of the tethered PNIPAM chains. The films were successfully deposited on substrates by Langmuir-Blodgett technique. The sessile drop contact angle measurements conducted on both sides of the monolayer deposited at room temperature reveal two slightly different contact angles, that may indicate phase separation between the tethered PNIPAM and PS chains on the gold core. The optical properties of amphiphilic gold nanoparticles were studied both in situ at the air-water interface and on the deposited films. The in situ SPR band of the monolayer shows a blue shift with compression, while a red shift with the deposition cycle occurs in the deposited films. The blue shift is compression-induced and closely related to the conformational change of the tethered PNIPAM chains, which may cause a decrease in the polarity of the local environment of the gold cores. The red shift in the deposited films is due to a weak interparticle coupling between adjacent particles. Temperature effects on the SPR band in both cases were also investigated. In the in situ case, at a constant surface pressure, an increase in temperature leads to a red shift in the SPR, likely due to the shrinking of the tethered PNIPAM chains, as well as to a slight decrease of the distance between the adjacent particles resulting in an increase in the interparticle coupling. However, in the case of the deposited films, the SPR band red-shifts with the deposition cycles more at a high temperature than at a low temperature. This is because the compressibility of the polymer coated gold nanoparticles at a high temperature leads to a smaller interparticle distance, resulting in an increase of the interparticle coupling in the deposited multilayers.

Anomalous phase transitions in soft colloid-polymer binary mixtures

We have shown earlier [1] that these PGNPs resemble star polymers or spherical brushes in terms of their morphology in the melt. However, these particles show dynamics in melt which is quite different from other soft colloidal particles. Since most of the work on soft colloidal particles have been performed in solutions we have now explored the phase behavior of the PGNPs in good solvent using microscopic structural and dynamical measurements on binary mixtures of homopolymers and soft colloids consisting of polymer grafted nanoparticles. We observe anomalous structural and dynamical phase transitions of these binary mixtures, including appearance of spontaneous orientational alignment and logarithmic structural relaxations, as a function of added homopolymers of different molecular weights. Our experiments points to the possibility of exploiting the phase space in density and homopolymer size, of such hybrid systems, to create new materials with unique properties.