Microgels at solid/fluid interfaces investigated by atomic force microscopy

  • Untersuchung von Mikrogelen an fest/fluiden Grenzflächen mittels Rasterkraftmikroskopie

Schulte, Marie Friederike; Richtering, Walter (Thesis advisor); Hellweg, Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Mikrogele sind im Bereich weicher Materialien ein wichtiges Modellsystem und kombinieren die Eigenschaften zweier fundamentaler Klassen: flexible Polymere und harte Kolloide. Diese intramolekular vernetzten Makromoleküle werden durch ein gutes Lösungsmittel gequollen und sind typischerweise sphärisch. Mikrogele, die hauptsächlich aus dem Monomer N-Isopropylacrylamid (NIPAM) bestehen, zeichnen sich durch schnelles thermo-responsives Verhalten aus. Weiterhin besitzen solche Mikrogele eine hohe Grenzflächenaktivität, obwohl sie nicht amphiphil sind. Diese einzigartigen Merkmale machen Mikrogele für viele Anwendungen im Bereich funktioneller Polymerbeschichtungen interessant, erfordern jedoch ein grundlegendes Verständnis ihrer Grenzflächeneigenschaften. Ein Instrument, welches sich hervorragend zur Untersuchung der Morphologie und der nanomechanischen Eigenschaften der Mikrogele an festen Grenzflächen eignet, ist das Rasterkraftmikroskop (AFM). Unsere topographischen AFM-Messungen zeigen, dass das Verhalten ultra-niedrig vernetzter (ULC) Mikrogele an der fest/flüssig Grenzfläche sehr komplex ist: ULC Mikrogele besitzen nicht nur eine Gleichgewichtsmorphologie. Das Äquilibrium zwischen Adsorptionsenergie und Netzwerkelastizität kann je nach Adsorptionsprozess in zwei unterschiedliche Zustände verschoben werden - der Dualismus zwischen flexiblem Polymer und hartem Kolloid ist somit beliebig steuerbar. Mittels des AFMs werden auch Informationen über die Topograhie hinaus gewonnen. Entscheidend ist die Größe der Sonde im Verhältnis zu den Dimensionen der Mikrogele. Spitze AFM-Sonden ermöglichen eine hohe laterale Auflösung, dringen aber in das Polymernetzwerk ein, da sie kleiner als die Poren der Mikrogele sind. Diese Situation ermöglicht jedoch während kraftspektroskopischer Messungen einen auf die Spitze der Sonde lokal begrenzten Kontaktwiderstand aufzunehmen. Die Kontaktsteifigkeit als Funktion der Eindringtiefe korreliert mit den Dichteprofilen in Lösung. Im Gegensatz zu den bislang verwendeten Methoden, z.B. die Kolloidsondentechnik oder Reflektometrie, wird nicht nur ein Mittelwert des Profils in Z-Richtung gewonnen, sondern die reale dreidimensionale interne Stuktur einzelner Mikrogele aufgelöst. Es wird gezeigt, dass hohle Mikrogele trotz ihrer Adsorption und Deformation an der festen Grenzfläche weiterhin eine Kavität aufweisen - essentiell für den Anwendungsbereich der Wirkstofffreisetzung. Im Falle der ULC-Mikrogele führt das Ausüben sehr geringer Kräfte (Auflösungsgrenze) zu einer vollständigen Penetration des Netzwerks, sodass die Mikrogele in der klassischen Bildgebung nicht detektierbar sind. In dieser Arbeit wird jedoch ihre schwachvernetzte und daher weiche, vollkommen homogene interne Struktur aufgelöst. Die Adsorption herkömmlicher Mikrogele an festen Grenzfläche wird von einem Verlust ihrer sphärischen Symmetrie begleitet: Die interne Steifigkeit nimmt entlang der lateralen und vertikalen Achse unterschiedlich stark zu.

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