Lyotrope Quasikristalle von Blockcopolymeren und Nanokompositen

  • Lyotropic quasicrystals of blockcopolymers and nanocomposites

Jurczyk, Tobias; Förster, Stephan Friedrich (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Anfang der 1980iger Jahre wurden Quasikristalle zuerst bei intermetallischen Phasen beobachtet. Bei Metallen wurden bis heute zahlreiche Quasikristalle entdeckt. Quasikristalle kennzeichnen sich dadurch, dass sie in mindestens einer Dimension nicht periodisch sind. Zudem besitzen sie Rotationssymmetrien, die in der Kristallographie verboten sind. Das Faszinierende an Quasikristallen ist, dass die Atome trotz ihrer nach außen chaotisch erscheinenden Anordnung reguläre Abstände untereinander besitzen, was wie bei Kristallen je nach Winkel zu charakteristischen Streubildern führt. In den letzten Jahren wurden auch im Bereich weiche Materie Quasikristalle bzw. quasikristalline Strukturen beobachtet. Dazu zählen eine dendritische Verbindung, ein Sternpolymer, eine mesoporöse Silikaverbindung, eine Blockcopolymerschmelze und lyotrope Phasen von Mizellen aus Blockcopolymeren. Es gibt aber bis jetzt nur sehr wenige Beispiele im Bereich weiche Materie. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Quasikristalle mit weichen Materialien zu finden. Stabil sind Quasikristalle nur dann, wenn zwei intrinsische Größenskalen vorhanden sind. Kern-Schale-Partikel besitzen zwei Größenskalen. In dieser Arbeit werden zwei Systeme verwendet, die beide zum Typ der Kern-Schale-Partikel gehören: Blockcopolymermizellen und mit Polymer beschichtete Nanopartikel. Die Mizellen bestanden aus Polyisopren-Polystyrol (PI-PS) Blockcopolymeren und die Nanokomposite bestanden aus Eisenoxidnanopartikeln, die mit Polystyrol beschichtet worden sind. Dodecagonale Quasikristalle traten bei Rheo-SAXS Experimenten (oszillatorische Scherung) bei beiden Systemen jeweils in konzentrierter Lösung auf (Lösungmittel: Diethylphthalat), in Abhängigkeit von der Temperatur. Von den Mizellen konnte die Bildung des Quasikristalls am Synchrotron zeitaufgelöst beobachtet werden. Neben dem grundsätzlichen Vorhandensein von zwei Längenskalen, ist das Größenverhältnis von Kernradius zu Gesamtradius der Kern-Schale-Partikel entscheidend, um Quasikristalle zu finden. Die Polymerlänge des Polystyrols von den Nanokompositen war vor der anionischen Polymerisation so gewählt worden, dass ein Größenverhältnis erreicht wird, von dem vermutet worden war, dass es Quasikristalle bildet. Sowohl für die Mizellen als auch für die Nanokomposite ist das Größenverhältnis mit SAXS und SANS bestimmt worden. Außerdem muss die Konzentration der Lösungen so gewählt sein, dass die Kern-Schale-Partikel sich anfangen zu packen und gleichzeitig noch genug Platz zwischen den Partikeln bleibt. Bei den Rheo-SAXS Messungen der Nanokomposite wurde die Stabilität der Quasikristalle untersucht. Bei temperaturabhängigen Rheologiemessungen der konzentrierten Lösungen von beiden Systemen konnten durch Amplituden Sweeps Strains im Bereich des Schnittpunkts des Speichermoduls und des Verlustmoduls als die Strains identifiziert werden, die entscheidend die erfolgreiche Bildung des Quasikristalls bei den anschließenden Rheo-SAXS und Rheo-SANS Experimenten unterstützt haben. Es gibt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Scherbedingungen und Strukturbildung, die im nicht-linearen Bereich der Rheologie stattfindet.

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