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Multifunctional patchy silica particles via microcontact printing

Multifunktionale Patchy Silika Partikel mithilfe des Mikrokontaktdruckverfahrens

  • This research addressed the question, if it is possible to simplify current microcontact printing systems for the production of anisotropic building blocks or patchy particles, by using common chemicals while still maintaining reproducibility, high precision and tunability of the Janus-balance Chapter 2 introduced the microcontact printing materials as well as their defined electrostatic interactions. In particular polydimethylsiloxane stamps, silica particles and high molecular weight polyethylenimine ink were mainly used in this research. All of these components are commercially available in large quantities and affordable, which gives this approach a huge potential for further up-scaling developments. The benefits of polymeric over molecular inks was described including its flexible influence on the printing pressure. With this alteration of the µCP concept, a new method of solvent assisted particle release mechanism enabled the switch from two-dimensional surface modification to three-dimensional structure printing on colloidalThis research addressed the question, if it is possible to simplify current microcontact printing systems for the production of anisotropic building blocks or patchy particles, by using common chemicals while still maintaining reproducibility, high precision and tunability of the Janus-balance Chapter 2 introduced the microcontact printing materials as well as their defined electrostatic interactions. In particular polydimethylsiloxane stamps, silica particles and high molecular weight polyethylenimine ink were mainly used in this research. All of these components are commercially available in large quantities and affordable, which gives this approach a huge potential for further up-scaling developments. The benefits of polymeric over molecular inks was described including its flexible influence on the printing pressure. With this alteration of the µCP concept, a new method of solvent assisted particle release mechanism enabled the switch from two-dimensional surface modification to three-dimensional structure printing on colloidal silica particles, without changing printing parameters or starting materials. This effect opened the way to use the internal volume of the achieved patches for incorporation of nano additives, introducing additional physical properties into the patches without alteration of the surface chemistry. The success of this system and its achievable range was further investigated in chapter 3 by giving detailed information about patch geometry parameters including diameter, thickness and yield. For this purpose, silica particles in a size range between 1µm and 5µm were printed with different ink concentrations to change the Janus-balance of these single patched particles. A necessary intermediate step, consisting of air-plasma treatment, for the production of trivalent particles using "sandwich" printing was discovered and comparative studies concerning the patch geometry of single and double patched particles were conducted. Additionally, the usage of structured PDMS stamps during printing was described. These results demonstrate the excellent precision of this approach and opens the pathway for even greater accuracy as further parameters can be finely tuned and investigated, e.g. humidity and temperature during stamp loading. The performance of these synthesized anisotropic colloids was further investigated in chapter 4, starting with behaviour studies in alcoholic and aqueous dispersions. Here, the stability of the applied patches was studied in a broad pH range, discovering a release mechanism by disabling the electrostatic bonding between particle surface and polyelectrolyte ink. Furthermore, the absence of strong attractive forces between divalent particles in water was investigated using XPS measurements. These results lead to the conclusion that the transfer of small PDMS oligomers onto the patch surface is shielding charges, preventing colloidal agglomeration. However, based on this knowledge, further patch modifications for particle self-assembly were introduced including physical approaches using magnetic nano additives, chemical patch functionalization with avidin-biotin or the light responsive cyclodextrin-arylazopyrazoles coupling as well as particle surface modification for the synthesis of highly amphiphilic colloids. The successful coupling, its efficiency, stability and behaviour in different solvents were evaluated to find a suitable coupling system for future assembly experiments. Based on these results the possibility of more sophisticated structures by colloidal self-assembly is given. Certain findings needed further analysis to understand their underlying mechanics, including the relatively broad patch diameter distribution and the decreasing patch thickness for smaller silica particles. Mathematical assumptions for both effects are introduced in chapter 5. First, they demonstrate the connection between the naturally occurring particle size distribution and the broadening of the patch diameter, indicating an even higher precision for this µCP approach. Second, explaining the increase of contact area between particle and ink surface due to higher particle packaging, leading to a decrease in printing pressure for smaller particles. These calculations ultimately lead to the development of a new mechanical microcontact printing approach, using centrifugal forces for high pressure control and excellent parallel alignment of printing substrates. First results with this device and the comparison with previously conducted by-hand experiments conclude this research. It furthermore displays the advantages of such a device for future applications using a mechanical printing approach, especially for accessing even smaller nano particles with great precision and excellent yield. In conclusion, this work demonstrates the successful adjustment of the µCP approach using commercially available and affordable silica particles and polyelectrolytes for high flexibility, reduced costs and higher scale-up value. Furthermore, its was possible to increase the modification potential by introducing three-dimensional patches for additional functionalization volume. While keeping a high colloidal stability, different coupling systems showed the self-assembly capabilities of this toolbox for anisotropic particles.show moreshow less
  • Diese Forschungsarbeit befasste sich mit der Frage, ob es möglich ist, bekannte Mikrokontaktdruckverfahren, zur Herstellung von anisotropen Bausteinen (Patchy Partikel), weiter zu vereinfachen. Dabei sollten gängige Chemikalien verwendet werden ohne einen Verlust in Reproduzierbarkeit, hoher Präzision und Feineinstellung der Janus-Balance zu erleiden. In Kapitel 2 wurden die verwendeten Mikrokontaktdruckmaterialien sowie deren elektrostatische Wechselwirkungen vorgestellt. Insbesondere handelte es sich dabei um Polydimethylsiloxan Stempel, Silikapartikel und hoch molekulare Polyethylenimin Tinte. All diese Produkte sind kommerziel in großen und bezahlbaren Mengen erhältlich. Nicht nur die Vorteile von polymeren Tinten im Gegensatz zu molekularen Tinten wurde beschrieben, sondern auch die hohe Flexibilität dieses Verfahrens bezüglich der verwendeten Druckkraft. Mit dieser Anpassung des Mikrokontaktdrucks, wurde eine neue Methode der Lösungsmittel unterstützten Partikelablösung ermöglicht, mit deren Hilfe ein einfaches SchaltenDiese Forschungsarbeit befasste sich mit der Frage, ob es möglich ist, bekannte Mikrokontaktdruckverfahren, zur Herstellung von anisotropen Bausteinen (Patchy Partikel), weiter zu vereinfachen. Dabei sollten gängige Chemikalien verwendet werden ohne einen Verlust in Reproduzierbarkeit, hoher Präzision und Feineinstellung der Janus-Balance zu erleiden. In Kapitel 2 wurden die verwendeten Mikrokontaktdruckmaterialien sowie deren elektrostatische Wechselwirkungen vorgestellt. Insbesondere handelte es sich dabei um Polydimethylsiloxan Stempel, Silikapartikel und hoch molekulare Polyethylenimin Tinte. All diese Produkte sind kommerziel in großen und bezahlbaren Mengen erhältlich. Nicht nur die Vorteile von polymeren Tinten im Gegensatz zu molekularen Tinten wurde beschrieben, sondern auch die hohe Flexibilität dieses Verfahrens bezüglich der verwendeten Druckkraft. Mit dieser Anpassung des Mikrokontaktdrucks, wurde eine neue Methode der Lösungsmittel unterstützten Partikelablösung ermöglicht, mit deren Hilfe ein einfaches Schalten zwischen zwei dimensionaler Oberflächenfunktionalisierung und drei dimensionalem Strukturdrucks möglich war, ohne Druckparameter oder Startchemikalien zu verändern. Dadurch konnte neu erschaffenes internes Volumen verwendet werden um Nanoadditive einzuführen und so zusätzliche physikalische Eigenschaften zu integrieren, ohne die Oberflächenchemie der Patches verändert wurde. Der Erfolg dieses Systems und seine erreichbaren Grenzen wurde gründlichst in Kapitel 3 erforscht, indem detaillierte Geometrieparameter der Patches einschließlich Durchmesser, Dicke und Ausbeute, erworben wurden. Hierfür wurden Silikapartikel in einem Größenbereich von 1µm bis 5µm mit unterschiedlichen Tintenkonzentrationen bedruckt, um Veränderungen erforschen zu können. Ein notwendiger Luftplasma Ätzschritt für die Produktion von trivalenten Partikeln, mit Hilfe des sogenannten ,,Sandwich‘‘-Drucks, wurde erläutert und vergleichende Untersuchen von einfach und zweifach modifizierten Bausteinen wurden durchgeführt. Zusätzlich dazu, wurde die Verwendung von strukturierten Stempel beschrieben. Die Ergebnisse verdeutlichen die exzellente Genauigkeit dieser Methode und öffnet den Weg um eine hoch höhere Präzision zu erreichen da weitere Parametere genau eingestellt und untersucht werden können, z.B. Luftfeuchtigkeit und Temperature während der Stempelbeladung. Die Performance der herstellten anisotropen Partikel wurde in Kapitel 4 mit Verhaltensstudien in alkoholischen und wässrigen Dispersionen getestet. Dabei wurde die Stabilität der Oberflächenfunktionalisierungen in einem breiten pH Bereich untersucht. Dadurch wurde ein Ablösungsmechanismus bei sehr hohen bzw. niedrigen pH-Werten entdeckt, der zur Deaktivierung elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Partikeloberfläche und Polyelektrolyte Tinte führte. Desweitern wurden die Abwesenheit starker Wechselwirkung der divalenten Partikel in Wasser mit Hilfe von XPS untersucht. Das Resultat zeigte, dass der Transfer kleinster PDMS Oligomere auf die Patchoberfläche zu einer Ladungsabschirmung führte. Dadurch konnte Agglomeration verhindert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden weitere Modifikationen für Partikelassemblierung durchgeführt. Hierfür wurde die Einführung von magnetischen Nanoadditiven, die Funktionalisierung mit Avidin-Biotin sowie dem Lichtschaltbaren Cyclodextrin-Arylazopyrazol Komplexen und die Partikeloberflächenfunktionalisierung zur Herstellung amphiphiler Teilchen untersucht. Die Effizienz der Kopplung, deren Stabilität sowie das Verhalten in unterschiedlichen Lösungsmittel wurde beschrieben. Basierend auf diesen Ergebnissen können noch anspruchsvollere Strukturen durch kolloidale Selbstassemblierung erzeugt werden. Einige Ergebnisse dieser Arbeit benötigten zusätzlicher Analyse um die zugrundeliegenden Mechaniken verstehen zu können. Dazu gehörte die relative hohe Streuung des Durchmessers für unterschiedliche Partikelsysteme, sowie das Ausdünnen des Patches mit kleineren Silikapartikeln. Mathematische Modelle in Kapitel 5 beschreiben beide Effekte. Dadurch war es möglich einen Zusammenhang zwischen der natürlichen Partikelgrößenverteilung sowie der Verbreitung des Patchdurchmessers festzustellen. Des Weiteren konnte eine Verkleinerung der Druckkraft durch eine Erhöhung der Packungsdichte für kleine Partikel beschrieben werden, wodurch eine Erklärung der Ausdünnung möglich war. All diese Berechnung führten schlussendlich zur Entwicklung eines neuen mechanischen Mikrokontaktdruckverfahrens, welches mit Hilfe von Zentrifugalkräften eine hohe Druckkontrolle und eine exzellente parallele Ausrichtung zwischen den Substraten ermöglicht. Erste Ergebnisse, sowie deren Vergleich mit bisher erhaltenen Resultaten schließen diese Forschung ab. Des Weiteren zeigt es die Vorteile einer solchen Vorrichtung für kommende Applikationen, besonders um noch kleinere Nanopartikel mit einer hohen Präzision modifizieren zu können. Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Forschung die erfolgreiche Anpassung des Mikrokontaktdruckverfahrens mit kommerziell erhältlichen und bezahlbaren Silikapartikeln und Polyelektrolyten demonstriert, um hohe Flexibilität, reduzierte Kosten und ein erweitertes Skalierungspotential zu bieten. Zusätzlich ist es gelungen, die Funktionalisierungsdichte zu erhöhen, indem drei dimensionaler Strukturdruck bisher ungenutztes Volumen schaffen konnte. Während eine hohe kolloidale Stabilität erhalten blieb, ist es gelungen unterschiedliche Kopplungssysteme zu nutzen, um das Selbstorganisationspotential dieser Toolbox für anisotrope Partikel aufzuzeigen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marc ZimmermannORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427731
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42773
Referee:Alexander BökerORCiDGND, Bart Jan RavooORCiDGND, Regine von KlitzingORCiDGND
Advisor:Alexander Böker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/04/18
Release Date:2019/05/08
Tag:Anisotrope Kolloide; Mikrokontaktdruck; Patchy Partikel; Polyelektrolyte; Silika Partikel
anisotropic colloids; microcontact printing; patchy particles; polyelectrolytes; silica particles
Pagenumber:IX, 121, xiii
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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