Nanostructured Polyelectrolyte Brushes

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Rühe
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238027571

Dieser Antrag beschreibt ein Programm für eine internationale Zusammenarbeit die sich auf die Untersuchung von Polyelektrolytbürsten fokussiert und die Arbeitsgruppen von Prof. Christopher Ober (Cornell University) und Prof. Jürgen Rühe (Albert-Ludwigs-Universität) Freiburg) involviert. Polyelektrolytbürsten (PEL-Bürsten) sind deshalb von besonderem Interesse, weil die Anwesenheit von Ladungen und die geometrischen Einschränkungen, die durch das Dünnfilmformat und die Endanbindung der Ketten entstehen, ganz besondere physikalisch-chemische Eigenschaften bedingen. Der von der starken Streckung der Ketten verursachte Entropieverlust erzeugt eine hohe Zugkraft direkt an den Bindungen, über die die Ketten an die Oberfläche gebunden sind. Neuere Arbeiten berichten, dass dieser Zug besonders in sogenannten osmotischen Bürsten so stark werden kann, dass Bindungen im Polymeren brechen (Entropischer Tod). Wir werden diesen eher ungewöhnlichen Fall von Mechanochemie untersuchen, bei dem die Quelle der zerstörenden mechanischen Kräften interner Natur ist und nicht durch externe Felder erzeugt wird. Wir planen dieser Fragestellung nachzugehen, in dem wir Muster von maßgeschneiderten PEL-Bürsten erzeugen, deren Strukturgrößen von unendlich (homogener Film) bis zu Größenordnungen reichen, die der Schichtdicke entsprechen (< 100nm). Im ersteren Fall sind die Bürsten ein Beispiel für zweidimensionale Architekturen die nur in eine Richtung quellen können, während sie im letzteren Fall wieder eher in drei Dimensionen quellen können. Wir möchten im Besonderen folgende zentrale Fragestellungen beantworten: Wie skaliert das Quellvermögen der PEL Bürsten mit den Dimensionen der Nanostrukturen und wie wirkt sich die räumliche Beschränkung der Bürsten auf die Nanostrukturen auf die Kettenstabilität und die Wechselwirkung der Ketten mit dem Umgebungsmedium als Funktion des Umgebungseigenschaften, der Segment- und Ladungsverteilung und des Ladungszustandes aus. Für diese Untersuchungen planen wir Polyelektrolytbürsten aus Polystyrolsulfonat, quarternisierten Polyvinylpyridin und Poly(-2-methacryloxyethyltrimethylammoniumchlorid) zu generieren und daraus anschließend Nanostrukturen über orthogonale Lithographie zu erzeugen. Wir werden die Bürsten mittels synchrotronbasierten Methoden wie Röntgenreflexion, Kleinwinkelröntgenstreuung im streifenden Einfall (GISAXS) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS). Zusätzlich werden die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), die Vielwinkelellipsometrie sowie die Standardmethoden ATR-FTIR und AFM ergänzende Informationen zu chemischer Zusammensetzung, Quellung und Topographie liefern. Im Ergebnis hoffen wir, dass ein tieferes Verständnis des komplexen Wechselspiels zwischen räumlicher Einschränkung, Quellung und Stabilität der Polyelektrolytbürsten erreicht wird und neue Erkenntnisse zu deren komplexen physikalisch-chemischen Eigenschaften vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Person: Professor Christopher K. Ober, Ph.D.