@phdthesis{Djalali2023,
  author    = {Djalali, Saveh Arman},
  title     = {Multiresponsive complex emulsions: Concepts for the design of active and adaptive liquid colloidal systems},
  doi       = {10.25932/publishup-57520},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575203},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {151},
  year      = {2023},
  abstract  = {Complex emulsions are dispersions of kinetically stabilized multiphasic emulsion droplets comprised of two or more immiscible liquids that provide a novel material platform for the generation of active and dynamic soft materials. In recent years, the intrinsic reconfigurable morphological behavior of complex emulsions, which can be attributed to the unique force equilibrium between the interfacial tensions acting at the various interfaces, has become of fundamental and applied interest. As such, particularly biphasic Janus droplets have been investigated as structural templates for the generation of anisotropic precision objects, dynamic optical elements or as transducers and signal amplifiers in chemo- and bio-sensing applications. In the present thesis, switchable internal morphological responses of complex droplets triggered by stimuli-induced alterations of the balance of interfacial tensions have been explored as a universal building block for the design of multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems. A series of underlying principles and mechanisms that influence the equilibrium of interfacial tensions have been uncovered, which allowed the targeted design of emulsion bodies that can alter their shape, bind and roll on surfaces, or change their geometrical shape in response to chemical stimuli. Consequently, combinations of the unique triggerable behavior of Janus droplets with designer surfactants, such as a stimuli-responsive photosurfactant (AzoTAB) resulted for instance in shape-changing soft colloids that exhibited a jellyfish inspired buoyant motion behavior, holding great promise for the design of biological inspired active material architectures and transformable soft robotics. In situ observations of spherical Janus emulsion droplets using a customized side-view microscopic imaging setup with accompanying pendant dropt measurements disclosed the sensitivity regime of the unique chemical-morphological coupling inside complex emulsions and enabled the recording of calibration curves for the extraction of critical parameters of surfactant effectiveness. The deduced new "responsive drop" method permitted a convenient and cost-efficient quantification and comparison of the critical micelle concentrations (CMCs) and effectiveness of various cationic, anionic, and nonionic surfactants. Moreover, the method allowed insightful characterization of stimuli-responsive surfactants and monitoring of the impact of inorganic salts on the CMC and surfactant effectiveness of ionic and nonionic surfactants. Droplet functionalization with synthetic crown ether surfactants yielded a synthetically minimal material platform capable of autonomous and reversible adaptation to its chemical environment through different supramolecular host-guest recognition events. Addition of metal or ammonium salts resulted in the uptake of the resulting hydrophobic complexes to the hydrocarbon hemisphere, whereas addition of hydrophilic ammonium compounds such as amino acids or polypeptides resulted in supramolecular assemblies at the hydrocarbon-water interface of the droplets. The multiresponsive material platform enabled interfacial complexation and thus triggered responses of the droplets to a variety of chemical triggers including metal ions, ammonium compounds, amino acids, antibodies, carbohydrates as well as amino-functionalized solid surfaces. In the final chapter, the first documented optical logic gates and combinatorial logic circuits based on complex emulsions are presented. More specifically, the unique reconfigurable and multiresponsive properties of complex emulsions were exploited to realize droplet-based logic gates of varying complexity using different stimuli-responsive surfactants in combination with diverse readout methods. In summary, different designs for multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems were presented and investigated, enabling the design of novel transformative chemo-intelligent soft material platforms.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Holtze2004,
  author    = {Holtze, Christian H. W.},
  title     = {Neue Einfl{\"u}sse und Anwendungen von Mikrowellenstrahlung auf Miniemulsionen und ihre Kompositpolymere},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-2492},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Miniemulsionen bestehen aus zwei miteinander nicht mischbaren Fl{\"u}ssigkeiten, von der die eine in Form kleiner Tr{\"o}pfchen fein in der anderen verteilt (dispergiert) ist. Miniemulsionstr{\"o}pfchen sind mit Durchmessern von ungef{\"a}hr 0,1 Mikrometer kleiner als herk{\"o}mmliche Emulsionen und k{\"o}nnen u. a. als voneinander unabh{\"a}ngige Nanoreaktoren f{\"u}r chemische Reaktionen verwendet werden. Man unterteilt sie in direkte Miniemulsionen, in denen ein {\"O}l in Wasser dispergiert ist, und inverse Miniemulsionen, in denen Wasser in {\"O}l dispergiert wird. In dieser Arbeit wird das besondere chemische und physikalische Verhalten solcher Miniemulsionen unter dem Einfluß von Mikrowellenstrahlung untersucht. Dabei werden sowohl f{\"u}r {\"O}l-in-Wasser als auch f{\"u}r Wasser-in-{\"O}l-Miniemulsionen grundlagenwissenschaftliche Entdeckungen beschrieben und durch neue Modelle erkl{\"a}rt. Der praktische Nutzen dieser bislang unbeschriebenen Effekte wird durch ingenieurwissenschaftliche Anwendungsbeispiele im Bereich der Polymerchemie verdeutlicht. 1. Polymerisation mit "{\"u}berlebenden Radikalen" (Surviving Radical Polymerization) F{\"u}r die Herstellung von sog. Polymerlatizes (Kunststoffdispersionen, wie sie u. a. f{\"u}r Farben verwendet werden) aus direkten Styrol-in-Wasser Miniemulsionen werden die Styroltr{\"o}pfchen als Nanoreaktoren verwendet: Sie werden mit Hilfe von Radikalen durch eine Kettenreaktion zu winzigen Polymerpartikeln umgesetzt, die im Wasser dispergiert sind. Ihre Materialeigenschaften h{\"a}ngen stark von der Kettenl{\"a}nge der Polymermolek{\"u}le ab. In dieser Arbeit konnten durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung erstmals große Mengen an Radikalen erzeugt werden, die jeweils einzeln in Tr{\"o}pfchen (Nanoreaktoren) auch noch lange Zeit nach dem Verlassen der Mikrowelle {\"u}berleben und eine Polymerisationskettenreaktion ausf{\"u}hren k{\"o}nnen. Diese Methode erm{\"o}glicht nicht nur die Herstellung von Polymeren in technisch zuvor unerreichbaren Kettenl{\"a}ngen, mit ihr sind auch enorm hohe Ums{\"a}tze nach sehr kurzen Verweilzeiten in der Mikrowelle m{\"o}glich - denn die eigentliche Reaktion findet außerhalb statt. Es konnte gezeigt werden, dass durch Einsatz von Zusatzstoffen bei unvermindert hohem Umsatz die Polymerkettenl{\"a}nge variiert werden kann. Die technischen Vorz{\"u}ge dieses Verfahrens konnten in einer kontinuierlich betriebenen Pilotanlage nachgewiesen werden. 2. Aufheizverhalten inverser Miniemulsionen in Mikrowellen{\"o}fen Das Aufheizverhalen von Wasser-in-{\"O}l Miniemulsionen mit kleinen Durchmessern durch Mikrowellen ist {\"u}beraus tr{\"a}ge, da sich nur das wenige Wasser in den Tr{\"o}pfchen mit Mikrowellen aufheizen l{\"a}sst, das {\"O}l jedoch kaum. Solche Systeme verhalten sich gem{\"a}ß der "Theorie des effektiven Mediums". Werden aber etwas gr{\"o}ßere Tr{\"o}pfchen im Mikrometerbereich Mikrowellen ausgesetzt, so konnte eine wesentlich schnellere Aufheizung beobachtet werden, die auf eine Maxwell-Wagner-Grenzfl{\"a}chenpolarisation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden kann. Die Gr{\"o}ßenabh{\"a}ngigkeit dieses Effekts wurde mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie quantifiziert und ist bislang in der Literatur nie beschrieben worden. Zur genauen Messung dieses Effekts und zu seiner technischen Nutzung wurde ein neuartiges Membranverfahren f{\"u}r die Herstellung von großen Miniemulsionstr{\"o}pfchen im Mikrometerbereich entwickelt. 3. Herstellung von Kompositpolymeren f{\"u}r Mikrowellenanwendungen Um die untersuchte Maxwell-Wagner-Grenzfl{\"a}chenpolarisation technisch nutzen zu k{\"o}nnen, wurden als daf{\"u}r geeignete Materialien Kompositpolymere hergestellt. Das sind Kunststoffe, in denen winzige Wassertropfen oder Keramikpartikel eingeschlossen sind. Dazu wurden neuartige Synthesewege auf der Grundlage der Miniemulsionstechnik entwickelt. Ihr gemeinsames Ziel ist die Einschr{\"a}nkung der {\"u}blicherweise bei Polymerisation auftretenden Entmischung: In einem Verfahren wurde durch Gelierung die Beweglichkeit der emulgierten Wassertr{\"o}pfchen eingeschr{\"a}nkt, in einem anderen wurde durch das Einschließen von Keramikpartikeln in Miniemulsionstr{\"o}pfchen die Entmischung auf deren Gr{\"o}ße beschr{\"a}nkt. Anwendungen solcher Kompositpolymere k{\"o}nnten k{\"u}nstliche Muskeln, die Absorption von Radarstrahlung, z. B. f{\"u}r Tarnkappenflugzeuge, oder kratzfeste Lacke sein.Bei diesen Experimenten wurde beobachtet, daß sich u. U. in der Miniemulsion große Tr{\"o}pfchen bilden. Ihr Ursprung wird mit einer neuen Modellvorstellung erkl{\"a}rt, die die Einfl{\"u}sse auf die Stabilit{\"a}t von Miniemulsionen beschreibt.},
  subject      = {Emulsion},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Nozari2005,
  author    = {Nozari, Samira},
  title     = {Towards understanding RAFT aqueous heterophase polymerization},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-5801},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) was used as a controlling technique for studying the aqueous heterophase polymerization. The polymerization rates obtained by calorimetric investigation of ab initio emulsion polymerization of styrene revealed the strong influence of the type and combination of the RAFT agent and initiator on the polymerization rate and its profile. The studies in all-glass reactors on the evolution of the characteristic data such as average molecular weight, molecular weight distribution, and average particle size during the polymerization revealed the importance of the peculiarities of the heterophase system such as compartmentalization, swelling, and phase transfer. These results illustrated the important role of the water solubility of the initiator in determining the main loci of polymerization and the crucial role of the hydrophobicity of the RAFT agent for efficient transportation to the polymer particles. For an optimum control during ab-initio batch heterophase polymerization of styrene with RAFT, the RAFT agent must have certain hydrophilicity and the initiator must be water soluble in order to minimize reactions in the monomer phase. An analytical method was developed for the quantitative measurements of the sorption of the RAFT agents to the polymer particles based on the absorption of the visible light by the RAFT agent. Polymer nanoparticles, temperature, and stirring were employed to simulate the conditions of a typical aqueous heterophase polymerization system. The results confirmed the role of the hydrophilicity of the RAFT agent on the effectiveness of the control due to its fast transportation to the polymer particles during the initial period of polymerization after particle nucleation. As the presence of the polymer particles were essential for the transportation of the RAFT agents into the polymer dispersion, it was concluded that in an ab initio emulsion polymerization the transport of the hydrophobic RAFT agent only takes place after the nucleation and formation of the polymer particles. While the polymerization proceeds and the particles grow the rate of the transportation of the RAFT agent increases with conversion until the free monomer phase disappears. The degradation of the RAFT agent by addition of KPS initiator revealed unambigueous evidence on the mechanism of entry in heterophase polymerization. These results showed that even extremely hydrophilic primary radicals, such as sulfate ion radical stemming from the KPS initiator, can enter the polymer particles without necessarily having propagated and reached a certain chain length. Moreover, these results recommend the employment of azo-initiators instead of persulfates for the application in seeded heterophase polymerization with RAFT agents. The significant slower rate of transportation of the RAFT agent to the polymer particles when its solvent (styrene) was replaced with a more hydrophilic monomer (methyl methacrylate) lead to the conclusion that a complicated cooperative and competitive interplay of solubility parameters and interaction parameter with the particles exist, determining an effective transportation of the organic molecules to the polymer particles through the aqueous phase. The choice of proper solutions of even the most hydrophobic organic molecules can provide the opportunity of their sorption into the polymer particles. Examples to support this idea were given by loading the extremely stiff fluorescent molecule, pentacene, and very hydrophobic dye, Sudan IV, into the polymer particles. Finally, the first application of RAFT at room temperature heterophase polymerization is reported. The results show that the RAFT process is effective at ambient temperature; however, the rate of fragmentation is significantly slower. The elevation of the reaction temperature in the presence of the RAFT agent resulted in faster polymerization and higher molar mass, suggesting that the fragmentation rate coefficient and its dependence on the temperature is responsible for the observed retardation.},
  subject      = {Heterophasenpolymerisation},
  language  = {en}
}