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Main Title: PNIPAM microgels in external fields
Subtitle: temperature response in cononsolvent systems and under the influence of magnetic fields
Translated Title: PNIPAM Mikrogele in externen Feldern
Translated Subtitle: Temperaturabhängigkeit in Cononsolvency-Systemen und unter dem Einfluss magnetischer Felder
Author(s): Backes, Sebastian
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Referee(s): Klitzing, Regine von
Gradzielski, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels respond to changes in temperature by shrinking in aqueous solution above their volume phase transition temperature (VPTT). Additionally, they shrink in mixtures of water and ethanol, although both individual liquids are good solvents. This is termed cononsolvency. Combined DLS experiments and MD simulations show that microgels in aqueous alcohol bulk solutions collapse at low temperatures, and reswell when T > 50°C. Delicate microscopic interaction details combined with bulk solution properties play a key role for the reswelling behavior. Adsorbed microgels are of special interest because they are compressed on a surface. An AFM study indicates that the impact of adsorption on swelling depends on the interaction between surface and microgel, as well as the solution from which the sample is prepared. Dynamic AFM force measurements indicate that not only polymer density but a subtle interaction between polymer and solvent dominates the rheological properties. While standard surfactant-free precipitation polymerization produces microgels which are inhomogeneously cross-linked, homogeneous microgels could be made by feeding polymerization. AFM measurements show a more pronounced swelling of adsorbed homogeneous gels. Force measurements across particles prove their homogeneity. However, there remains a shift of the temperature above which microgels become stiffer, compared to the VPTT. Microgels can be loaded with with magnetic nanoparticles (MNP). The MNP uptake is analyzed by TEM. The microgels loaded with MNP preserve their thermosensitivity and show magnetic separability. Adsorbed to a surface, magnetostriction is observed when an external magnetic field is applied.
Thermoresponsible Mikrogele aus Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) quellen in Wasser, aber schrumpfen oberhalb ihrer Volumenphasenübergangstemperatur (VPTT). Außerdem schrumpfen sie in Mischungen aus Wasser und Ethanol, obwohl beide einzeln gute Lösungsmittel sind. Dies wird als cononsolvency bezeichnet. DLS Experimente und MD Simulationen zeigen, dass Mikrogele in Wasser-Alkohol-Lösungen bei niedriger Temperatur kollabieren, aber ab 50°C wieder aufquellen. Dieswird durch detaillierte mikroskopische Wechselwirkungen, sowie Eigenschaften der Lösung erklärt. Adsorbierte Mikrogele sind aufgrund ihrer Kompression auf einer Oberfläche von besonderem Interesse. Wie AFM Messungen zeigen, hängt das Quellen hier von der Wechselwirkung zwischen Gel und Oberfläche, sowie der Lösung, aus der die Probe hergestellt wurde, ab. Dynamische AFM Kraftkurven implizieren, dass die Rheologie nicht nur von der Polymerdichte, sondern auch von den Wechselwirkungen zwischen Polymer und Lösungsmittel abhängt. Bei normaler Fällungspolymerisation erhält man Mikrogele mit inhomogener Quervernetzung. Mittels Feeding-Polymerisation können allerdings homogene Gele hergestellt werden. AFM Messungen zeigen, dass diese stärker quellen. Kraftmessungen an verschiedenen Stellen beweisen ihren homogenen Charakter. Die Temperatur, bei der die Gele steifer werden, ist jedoch für alle Gele höher als die VPTT. Mikrogele können magnetische Nanopartikel (MNP) aufnehmen, was mithilfe von TEM gezeigt werden kann. Die beladenen Mikrogele behalten ihre Temperatursensibilität und können magnetisch separiert werden. Nach Adsorption kann in einem externen Magnetfeld Magnetostriktion beobachtet werden.
Exam Date: 13-Mar-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 12-Apr-2018
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): PNIPAM
atomic force microscopy
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