Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5455
Main Title: Supraparticles by drying droplets of colloidal suspensions on superhydrophobic surfaces
Translated Title: Suprapartikel durch Trocknung von Tropfen kolloidaler Suspensionen auf superhydrophoben Oberflächen
Author(s): Sperling, Marcel
Advisor(s): Gradzielski, Michael
Referee(s): Gradzielski, Michael
Velev, Orlin D.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung neuer Materialien durch die Selbstaggregation von Kolloiden in wässrigen Suspensionstropfen auf superhydrophoben (SH) Oberflächen beschrieben. Durch Eintrocknung, diese Tropfen als Templat nutzend, können Suprapartikel hergestellt werden, welche sich von der Oberfläche isolieren lassen. In zwei getrennten Projekten wurde die gezielte Strukturmanipulation hinsichtlich der Herstellung anisometrischer Suprapartikel, sowie die Verwendung von Suprapartikeln als Selbstbewegende Teilchen untersucht. Zur Herstellung anisometrischer Suprapartikel wird Fumed Silica (FS) als Strukturbildner verwendet. Durch Variation der Ionenstärke (I, NaCl) der Suspension, welche verschiedene Mengen an FS enthielt, konnte das resultierende Ausmaß der Anisometrie (A) in definierter Art und Weise kontrolliert werden, wobei A das Verhältnis der elliptischen Hauptachsenlängen beschreibt. Als Mechanismus wird eine hülleninduzierte Tropfendeformation vorgeschlagen, welche auf einem diffusionskontrollierten Prozess beruht. Hierbei werden aufgrund des Verdunstungsprozesses FS-Partikel an der Tropfengrenzfläche angereichert, was lokal die Viskosität in Abhängigkeit von I erhöht. Dies wird auch durch Experimente am Konfokalmikroskop (CLSM) und durch rheologische Untersuchungen bestätigt. Durch kinetische Untersuchung des Deformationsprozesses wird eine empirische Formel zur Vorhersage von A hergeleitet, basierend auf den Anfangskonzentrationen (FS, NaCl). Es erfolgt eine Optimierung der Herstellungsprozedur durch die Verwendung gebogener SH-Oberflächen, was den Eintrocknungsprozess beschleunigt und die räumliche Orientierung von A festlegt. Dies ermöglicht der Herstellung von anisometrischen „patchy particles“ durch Verwendung von zusätzlichen magnetischen Fe3O4-Nanopartikeln. Letztlich werden auch andere Kolloidmaterialen hinzugefügt, wie z.B. Polystyrolpartikel, um die Anwendbarkeit und Robustheit der Prozedur hinsichtlich neuer funktionaler anisometrischer Materialien zu demonstrieren. Mittels selbiger Herstellungsprozedur, werden selbstbewegende Suprapartikel hergestellt, welche sich im dreidimensionalen Raum bewegen. Hierzu werden Suspensionen monodisperser Silica Mikro-, sowie magnetischer Fe3O4@Pt-Katalysatorpartikel eingesetzt. Der Katalysator zersetzt das als chemischen Treibstoff verwendete Wasserstoffperoxid (H2O2) und formt Sauerstoffbläschen auf der Suprapartikeloberfläche, welche an der Luft-Wasser-Grenzfläche abgegeben werden können. Dies führt zu einer periodischen Erzeugung von Auftrieb, was zu einer sehr regelmäßigen, autonomen oszillierenden Bewegung, in vertikaler Ausrichtung, ähnlich der eines Aufzugs führt. Dieser Prozess wird hinsichtlich des Einflusses der Treibstoffkonzentration, sowie der Suprapartikeldichte untersucht, wobei letzteres durch das Hinzufügen von PS-latex Mikropartikeln erfolgt. Es erfolgt anschließend eine theoretische Beschreibung basierend auf einem reaktionskinetischem Model und eine Präsentation möglicher Anwendungen. Es wird gezeigt, wie durch Nutzung externer Magnetfelder die Trajektorie der Aufzugpartikel festgelegt werden kann. Zudem werden die Suprapartikel mit dem Enzym αAmylase oberflächenfunktionalisiert, was zu einer effektiven katalytischen Zersetzung des Iod-Stärke-Komplexes parallel zur autonomen Bewegung führt. Dies dient als Beweis zur perspektivischen Nutzung dieser Suprapartikel als intelligente Katalysatoren.
In this work we describe the development of new types of materials by means of colloidal self-assembly within aqueous suspension droplets deposited on superhydrophobic (SH) surfaces. Thereby, these droplets serve as template geometry, leading to collectable supraparticles upon drying. In two separate projects we were investigating possible ways of targeted structure manipulation towards the formation of anisometric supraparticles and the use of supraparticles as self-propelling devices. For the preparation of anisometric supraparticles, we employ fumed silica (FS) as structrual guiding agent. By varying the ionic strength (I, NaCl) of the suspension, containing various amounts of FS, a precise control over the degree of the final anisometry (A) is granted, by means of the elliptical principal axis length ratio of the dried supraparticles. A mechanism is proposed, based on shell induced droplet deformation, arising from a diffusion controlled process. This is leading to interfacial collection of FS due to liquid evaporation increasing local viscosity depending on I, which is confirmed by confocal microscopy (CLSM) and rheology measurements. Analyzing the kinetics of this deformation process, an empiric formula is derived, allowing for the prediction of A as a function of initial droplet ingredient concentration (FS, NaCl). Furthermore, the procedure of anisometric particle synthesis is optimized using bent SH-surfaces, which allows for process acceleration as well as prediction of the spatial orientation of A, thereby, enabling the creation of anisometrically patched particles via addition of magnetic Fe3O4 nanoparticles. We also incorporate other particles, such as polystyrene (PS), within the droplets to investigate the robustness of this procedure and validate its applicability towards the formation of functional, anisometric hybrid materials. Using the method of droplet templating, self-propelling particles, spatially moving in 3D are obtained from drying suspensions containing monodisperse silica microspheres as well as magnetic catalyst particles. This magnetic Fe3O4@Pt catalyst is utilized for the decomposition of hydrogen peroxide (H2O2), employed as chemical fuel, in order to produce oxygen in the guise of surface attached bubbles that can be released at the liquid-air interface. Periodically generating buoyant force, the self-propelled motion takes place in a very regular and vertical oscillating way, thus resembling elevators. In order to characterize this type of movement, we analyze the oscillation Frequency in terms of its dependence on fuel concentration as well as supraparticle density using additionally contained PS-latex microspheres, which is subsequently described in a kinetic model. Illustrating possible applications, we show trapping of the elevator supraparticles on a predefined circuit, rendered possible by external magnetic fields. Furthermore as a model chemical reaction, we employ the common blue starch-iodine complex. Using surface bound α-amylase, these supraparticles show movement parallel decomposition of the complex on a short time scale, approving the concept of prospectively using such self-propelled vehicles as smart catalysts.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5856
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5455
Exam Date: 12-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 29-Aug-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): supraparticles
superhydrophobic surfaces
self-propelling
anisometric particles
evaporation induced self-assembly
Suprapartikel
superhydrophobe Oberflächen
eigenangetrieben
anisometrische Partikel
verdunstungsinduzierte Selbstanordnung
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