Strukturierte Polymersysteme
Strukturierte Polymersysteme
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 Strukturierte Polymersysteme •
Polymere
Multikompartment-Hydrogele
• Thermoresponsive polymere
Hydrogele
• Composites from carbon nanotubes and block
copolymers • Dünne Blockcopolymerfilme •
Kristalline Blockcopolymerfilme
Strukturierte PolymersystemeChemisch heterogene Polymere bilden häufig spontan Strukturen auf mesoskopischer Längenskala (d. h. 10-1000 Å) aus. Ein einfaches Beispiel hierfür sind Blockcopolymere, die aus zwei oder mehreren chemisch verschiedenen Blöcken bestehen. Eine Vielfalt von Strukturen kann in der Schmelze, in Lösung und im dünnen Film gebildet werden, z. B. Lamellen, Zylinder, Mizellen oder Netzwerke. Diese Strukturen können für den Aufbau nanostrukturierter, funktioneller Materialien genutzt werden. Wir untersuchen die Struktur und Dynamik solcher Materialien mit Kleinwinkelröntgen- und -neutronenstreuung. Diese Experimente werden teilweise an Großforschungsanlagen durchgeführt. Außerdem wenden wir die dynamische Lichtstreuung sowie die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie an. Im folgenden sind einige unserer Projekte kurz skizziert. Polymere Multikompartment-Hydrogele
Amphiphile Blockcopolymere in wässriger Lösung weisen ein sehr vielfältiges Phasenverhalten auf: Je nach Temperatur, Konzentration und der chemischen Zusammensetzung und Architektur der Copolymere bilden sie Lösungen von Unimeren oder Mizellen aus, mizellare Netzwerke sowie hexagonale oder lamellare Gele. Wir untersuchen ein sehr vielseitiges System, Copolymere aus Poly(2-oxazolin). Die Wasserlöslichkeit der Monomere wird durch Variation der Länge der Alkylseitenketten eingestellt. Mit Kleinwinkelstreuung und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie charakterisieren wir die Mizellbildung in wässriger Lösung verschiedener Architekturen wie Diblockcopolymere (A-B), Triblockcopolymere mit gleichen, hydrophoben Endblöcken (A-B-A) sowie Triblockcopolymere mit verschiedenen Endblöcken A-B-C (hydrophob-hydrophil-fluorophil). Letztere sind vielversprechende Kandidaten für die Bildung von Multicompartment-Hydrogelen. Thermoresponsive polymere Hydrogele
Thermoresponsive polymere Hydrogele finden Verwendung sowohl in Sensoren und Aktuatoren als auch im kontrollierten Wirkstofftransport oder kontrollierbaren Nanofiltern, da sie mit einer starken Volumenänderung auf eine kleine Änderung der Temperatur reagieren. Wir untersuchen thermoresponsive Hydrogele aus selbstorganisierenden Blockcopolymeren, die aus einem thermoresponsiven Mittelblock sowie zwei wasserunlöslichen Endblöcken bestehen. In Wasser bilden sie durch Selbstorganisation ein mizellares Netzwerk. Für die Untersuchungen von Struktur und Dynamik verwenden wir die Neutronen- und Röntgenkleinwinkelstreuung sowie die dynamische Lichtstreuung und die Neutronen-Spinecho-Spektroskopie. So kann der plötzliche Kollaps des mizellaren Netzwerks und die resultierende Änderung der mizellaren Diffusion sowie der Segmentdiffusion im Detail charakterisiert werden. Komposite aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Blockcopolymeren
Durch Zugabe von Nanopartikeln ändern sich in polymeren Nanokompositen die Materialeigenschaften unter Umständen drastisch. So führen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nanotubes, CNTs) zu einer Verbesserung der mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften von Polymeren. Allerdings ist die Compoundierung von CNTs mit Polymeren oft schwierig, was für die Verbesserung der Materialeigenschaften von größter Wichtigkeit ist. Um die Oberflächeneigenschaften der CNTs zu kontrollieren und so ihre Mischbarkeit mit Lösungsmitteln und Polymeren zu verbessern, arbeiten wir an der chemischen Modifizierung von CNTs. Die modifizierten CNTs können dann selektiv in einen Typ Domänen in mikrophasen-separierte Blockcopolymeren eingebracht werden. Die Morphologie der Blockcopolymere dient also als dreidimensionales Templat für die Strukturierung der CNTs. Um die Struktur und Dispergierung der modifizierten CNTs zu untersuchen, setzen wir die Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung ein. Die drastische Abnahme der Vorwärtsstreuung zeigt die bessere Dispergierung der modifizierten CNTs.
Dünne BlockcopolymerfilmeNanostrukturierte Blockcopolymerfilme sind für zahlreiche Anwendungen interessant, z. B. die Herstellung nanoporöser Filme und Nanodrähten sowie photonische Kristalle und Biosensoren. Wir untersuchen, wie die Oberflächentextur mit der Struktur im Filminnern zusammenhängt. Außerdem interessiert uns, ob und wie eine makroskopische Orientierung der Struktur induziert werden kann und wie so stabile, mesoskopisch strukturierte Filmoberflächen erhalten werden können. Auch die Stabilität solcher Filme ist ein wichtiger Gesichtspunkt für die Anwendung. Wir kombinieren die Rasterkraftmikroskopie zur Untersuchung der Oberflächentextur mit der Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (small-angle X-ray scattering under grazing incidence, GISAXS), die die Strukturen im Filminnern zugänglich macht. Zeitaufgelöste GISAXS-Messungen, strukturelle Änderungen der Filme bei Änderung der Umgebung in-situ mit einer Auflösung von wenigen Sekunden zu untersuchen.
Links: AFM-Abbildung eines hochmolekularen Polystyrol-Polybutadien-Films (Molmasse 183 000 g/mol, Lamellendicke 839 Å, Filmdicke 2320 Å. Bildgröße 3 µm x 3 µm. Rechts: Schematischer Aufbau des GISAXS-Experiments. Der Röntgenstrahl trifft auf die Probe unter einem Winkel αi auf, der etwas größer als der kritische Winkel für Totalreflektion ist. Der transmittierte Strahl dient als Primärstrahl für Kleinwinkelstreuung aus dem Polymerfilm. Die gestreute Strahlung wird von einer CCD-Kamera detektiert. Ein Strahlfänger schützt die Kamera vor dem intensiven reflektierten Strahl.
Kristalline BlockcopolymerfilmeIn Blockcopolymeren mit einem kristallinen Block führt das Wechselspiel zwischen der Kristallisation und der Mesophasenbildung durch Entmischung der beiden Blöcke zu neuen Strukturen, z.B. Lamellen mit Grenzflächen, die über große Distanzen glatt sind. Um die Mesophasen gut zu orientieren, präparieren wir dünne Filme auf einem Substrat. Die strukturellen Änderungen bei der Kristallisation sind durch die optische Mikroskopie, die Rasterkraftmikroskopie sowie die Röntgendiffraktion und Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall zugänglich.
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Struktur des Poly(2-oxazolin)-Monomers. R bezeichnet eine Alkylkette.
