Verständnis und Kontrolle der lateralen Hydrogelschalendeformation von Kern/Schale-Mikrogelen an Luft/Wasser-Grenzflächen für clevere Oberflächen-Nanostrukturierung

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Karg
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426700576

Ziele dieses Projektes sind die Untersuchung und Aufklärung der lateralen Ausdehnung frei schwimmender kolloidaler Monolagen von Kern/Schale-Mikrogelen an Luft/Wasser-Grenzflächen. Außerdem soll die Monolagenausdehnung als clevere Nanostrukturierungstechnik eingesetzt werden, um interagierende, plasmonische Oberflächenbeschichtungen zu erzeugen. Grundlage der Arbeiten werden Mikrogele mit harten Kernen und weichen, deformierbaren Hydrogelschalen sein. Im Gegensatz zu rein polymeren Mikrogelen, bilden diese Teilchen spontan hochgeordnete, freischwimmende Monolagen. In einer bisherigen Grundsatzstudie konnten wir zeigen, dass sich die Monolagen auf Zeitskalen von Minuten bis Stunden lateral ausdehnen. Die genaue Ursache der Ausdehnung, deren Kinetik und die strukturellen Parameter, die das Ausdehnungsverhalten beeinflussen, sind derzeit unklar. Wir konnten bisher lediglich zeigen, dass die Ausdehnung sehr langsam erfolgt und der Ordnungsgrad der Monolage dabei nahezu unbeeinflusst bleibt. Basierend auf diesem Wissen wollen wir die Kinetik der Ausdehnung in Abhängigkeit verschiedener struktureller sowie externer Parameter untersuchen. Hierzu werden wir Kern/Schale-Mikrogele mit Schalen unterschiedlicher Weichheit, Vernetzerverteilung und Ladung herstellen. Diese werden wir hinsichtlich ihrer Quellkapazität und Grenzflächenaktivität untersuchen. Eine zentrale Aufgabe wird die Bestimmung der Oberflächendruckdifferenz zwischen bedeckten und unbedeckten Bereichen der Grenzfläche sein. Den Übertrag der freischwimmenden Monolagen auf Glassubstrate nach verschiedenen Verweildauern werden wir nutzen, um die Mikrostruktur mit verschiedenen Mikroskopietechniken zeitabhängig zu verfolgen. Durch Variation der Monolagenfläche in der Grenzfläche und durch Absenken der Grenzflächenspannung mit einem Tensid, werden wir ermitteln wie sich die Ausdehnungskinetik über externe Parameter steuern lässt. Weiterhin wird es uns mit farbstoffmarkierten Kernen erstmalig möglich sein, die Monolagenausdehnung in-situ spektroskopisch zu verfolgen. Experimente mit Mikrogelen mit plasmonischen Goldkernen unterschiedlicher Größe werden es dagegen ermöglichen Plasmonenkopplungsphänomene aufzuklären. Auch hier soll die in-situ Spektroskopie für zeitabhängige Experimente an freischwimmenden Monolagen genutzt werden. Die Mikrostruktur werden wir in-situ mittels Röntgenkleinwinkelstreuung im streifenden Einfall (GISAXS) aufklären. So können wir mögliche Korrelationen zwischen der Monolagenstruktur und optischen Kopplungsereignissen, z.B. zwischen lokalisierten Oberflächenplasmonen und Beugungsmoden des Übergitters, ableiten. Mit theoretischen Berechnungen der optischen Eigenschaften werden wir die experimentellen Befunde stützen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden zum Einen zum grundsätzlichen Verständins des Verhaltens weicher Systeme an Grenzflächen und zum Anderen zur Entwicklung cleverer Nanostrukturierungsverfahren zur Erzeugung optisch aktiver, kolloidaler Schichten beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen