Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4588
Main Title: Smart hybrid materials with tailored functions
Subtitle: Incorporation of gold nanoparticles into stimuli-responsive polymer brushes
Translated Title: Intelligente Hybridmaterialien mit steuerbaren Funktionen
Translated Subtitle: Einlagerung von Goldnanopartikeln in stimuli-sensitive Polymerbürsten
Author(s): Christau, Stephanie M. E.
Advisor(s): von Klitzing, Regine
Referee(s): von Klitzing, Regine
Genzer, Jan
Wanless, Erica
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Dissertation befasst sich mit der Verteilung von Gold-Nanopartikeln (AuNPs) in stimuli-sensitiven Polymerbürsten, die an planare Oberflächen gebunden sind. Die Farbänderung solcher Bürsten/AuNP Hybride hängt von der Partikelbeladung und deren Abstand zueinander ab. Folglich, eine Kontrolle der Partikelverteilung in der Bürste ermöglicht eine Steuerung der Farbe des Hybrids für Anwendungen in der Sensorik. Wie in dieser Arbeit dargelegt, wird die AuNP Verteilung durch viele Faktoren wie Bürstendicke, Ankerdichte, Polymerstruktur, Oberflächenfunktionalisierung der Partikel, Partikelgrösse sowie Partikelform beeinflusst. Oberflächengebundene poly((N,N-dimethylamino ethyl)methacrylat) (PDMAEMA) and poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) Bürsten wurden mittels "Atom transfer radical polymerization" (ATRP) synthetisiert; die Beladung mit AuNPs erfolgte durch einen Inkubationsprozess. Beide Polymere weisen eine untere kritische Mischungstemperatur (LCST) auf, oberhalb derer die Polymerketten reversibles Schrumpfen zeigen. In dieser Dissertation werden X-ray und Neutronenreflektometrie, UV/vis Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Ellipsometrie kombiniert, um die Partikelverteilung und die optischen Eigenschaften der Hybride zu untersuchen. Nach Verringern der Ankerdichte konnten Beladungsdichte und Eindringung der Partikel erhöht werden. Wenn PNIPAM als Bürstenmatrix genutzt wurde, konnte die Effizienz der Partikeleindringung für hohe Ankerdichten erhöht werden. Farbänderungen der PNIPAM/AuNP Hybride konnten einerseits durch Variieren der Temperatur, als auch durch Erhöhen des Salzgehaltes hervorgerufen werden; Struktur und Farbänderung von PNIPAM/AuNP hingen stark vom verwendeten Salz ab. Des Weiteren konnte die Partikelverteilung kontrolliert werden, indem zwei Arten an AuNPs in die PNIPAM-Bürste immobilisiert wurden, citratstabilisierte AuNPs, sowie AuNPs funktionalisiert mit 12-Mercaptododecansäure Liganden. Die Farbänderung, die durch das thermisch hervorgerufene Schrumpfen der PNIPAM-Bürsten induziert wurde, hing von der Art der immobilisierten Partikel ab. Abschliessend wurden Oberflächengradienten in Ankerdichte und Quaternisierungsgrad verwendet, um die dominierenden Faktoren der Verteilung anisotropischer Gold-Nanostäbe in PDMAEMA-Bürsten zu untersuchen.
This Ph.D. thesis aims to study the assembly of gold nanoparticles (AuNPs) within stimuli-responsive polymer brushes that are grafted from planar surfaces. The apparent color of such brush/AuNP hybrids depends on the particle loading and vicinity. Thus, controlling the particle assembly inside the polymer brush matrix allows tuning the color of brush/AuNP hybrids to optimize them for sensor applications. As discussed in this Ph.D. thesis, the particle assembly in polymer brush matrices is influenced by many parameters such as brush thickness, brush grafting density, polymer chemistry, as well as particle surface functionalization, size, and shape. Surface-grafted poly((N,N-dimethylamino ethyl)methacrylate) (PDMAEMA) and poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) brushes were prepared by atom transfer radical polymerization (ATRP) and loaded with AuNPs by a dipping process. Both polymers exhibit a lower critical solution temperature (LCST), above which the polymer chains undergo reversible shrinking. In this Ph.D thesis, X-ray and neutron reflectivity, UV/vis spectroscopy, scanning electron microscopy and ellipsometry are combined to study the AuNP assembly and optical properties of the prepared brush/AuNP hybrids. The uptake and penetration of AuNPs could be increased after decreasing the grafting density of the surface-anchored polymers. At high grafting density, the AuNPs penetrated more effectively when PNIPAM was used as the brush matrix. Color changes of PNIPAM/AuNP hybrids could be induced by either varying the temperature or increasing the salinity; the structure of PNIPAM/AuNP and the apparent color strongly depended on the type of salt. The assembly of AuNPs could be controlled by immobilizing two different particle types into the PNIPAM brush matrices, namely citrate-coated AuNPs and AuNPs stabilized with 12-mercaptododecanoic acid ligands, into PNIPAM brushes. The color change associated with the thermoinduced collapse of the PNIPAM brushes depended on the particle type. Finally, surface-bound grafting density gradients and gradients in quaternization degree were employed to determine the dominating factors that govern the assembly of anisotropic gold nanorods in PDMAEMA brushes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69605
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4885
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4588
Exam Date: 3-Jul-2015
Issue Date: 31-Jul-2015
Date Available: 31-Jul-2015
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): Hybridmaterialien
Farbsensorik
Goldnanopartikel
Polymerbürsten
Colorimetric sensing
Gold nanoparticles
Hybrid materials
Polymer brushes
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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