Einzelmolekülmikroskopie molekularer Umlagerungen bei Deformation teilkristalliner Polymere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden chemische und physikalische Grundlagen der Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie und -spektroskopie an polymeren Materialien untersucht. Mittels Einzelmolekülfluoreszenzpolarisationsmikroskopie wurde das Reorientierungsverhalten eines Perylendiimidderivats bei uniaxialer Dehnung von Polymethylacrylatschmelzen untersucht. Hier finden wir, dass die Ausrichtung von Perylendiimidmolekülen als Sonde der lokalen Deformation der Schmelze eingesetzt werden kann. Diese Deformation relaxiert langsamer als die mechanische Spannung, was zeigt, dass für die Spannungsrelaxation der Polymerschmelze molekulare Umordnungsprozesse auf einer Längenskala kleiner als 5 nm verantwortlich sind. In Polystyrolschmelzen finden wir, dass die Rotationsdiffusion von Perylendiimidmolekülen eine lokale Sonde der Segmentdynamik (der a-Relaxation) der Polystyrolschmelze ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, zeitliche und räumliche Heterogenitäten der a-Relaxation in polymeren Materialien mittels Einzelmolekülspektroskopie und superauflösender Fluoreszenzmikroskopie zu untersuchen. Es wurden BODIPY-Derivate mit aliphatischen Liganden unterschiedlicher Kettenlänge synthetisiert und ihre Fluoreszenzlebensdauer in Polymerlösungen, Polymerschmelzen, teilkristallinem Polypropylen, Polyethylenpropylenschmelzen und Polymermischungen untersucht. Die Ankopplung eines makromolekularen Polypropylenliganden führt in Toluollösungen zu einem Temperaturverhalten der Fluoreszenzlebensdauer wie sie an BODIPY-Molekülen ohne Liganden in Polyethylenpropylenschmelzen beobachtet wird. In Toluol, in Toluol/ Polyethylenpropylen-Mischungen und in Polyethylenpropylenschmelzen ist die Fluoreszenzlebensdauer von der Konzentration der Polymermoleküle, ihren Verschlaufungen und der makroskopischen Viskosität der Lösung bzw. Schmelze weitgehend unabhängig. Dies widerlegt unsere ursprüngliche Arbeitshypothese, dass BODIPY-Farbstoffe als Sonden der Viskosität in elastomerem Polypropylen eingesetzt werden können. Der Vergleich mit dem Verhalten der Fluoreszenzlebensdauer in Methanol/Glyzerin-Mischungen, Wasser/Polyvinylalkohol- sowie Methanol/Polyvinylacetat-Mischungen zeigt, dass Wasserstoffbrückenbindungen notwendig sind, damit die Fluoreszenzlebensdauer von BODIPY-Farbstoffen an die makroskopische Scherviskosität der umgebenden Lösung koppelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Optical Investigation of Single Fluorophores and their Application as Sensitive Probes in Soft Matter Science, Dissertation, TU Chemnitz, 2015
Stefan Krause
- Time-resolved imaging of the micro-mechanical behavior of elastomeric polypropylene, Dissertation, TU Chemnitz, 2015
Martin Neumann
- Monitoring Nanoscale Deformations in a Drawn Polymer Melt with Single-Molecule Fluorescence Polarization Microscopy, ACS Nano 2016, 10, 1908–1917
S. Krause, M. Neumann, M. Fröbe, R. Magerle, C. von Borczyskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.5b05729) - Untersuchung der Fluoreszenzlebensdauer von BODIPY-Farbstoffen in Polymerlösungen und Polymerschmelzen, Dissertation, TU Chemnitz, 2016
Melanie Fröbe
