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Biomembranes are constantly remodeled and in cells, these processes are controlled and modulated by an assortment of membrane proteins. Here, it is shown that such remodeling can also be induced by photoresponsive molecules. The morphological control of giant vesicles in the presence of a water-soluble ortho-tetrafluoroazobenzene photoswitch (F-azo) is demonstrated and it is shown that the shape transformations are based on an increase in membrane area and generation of spontaneous curvature. The vesicles exhibit budding and the buds can be retracted by using light of a different wavelength. In the presence of F-azo, the membrane area can increase by more than 5% as assessed from vesicle electrodeformation. To elucidate the underlying molecular mechanism and the partitioning of F-azo in the membrane, molecular dynamics simulations are employed. Comparison with theoretically calculated shapes reveals that the budded shapes are governed by curvature elasticity, that the spontaneous curvature can be decomposed into a local and a nonlocal contribution, and that the local spontaneous curvature is about 1/(2.5 mu m). The results show that exo- and endocytotic events can be controlled by light and that these photoinduced processes provide an attractive method to change membrane area and morphology.
Biomembranes are constantly remodeled and in cells, these processes are controlled and modulated by an assortment of membrane proteins. Here, it is shown that such remodeling can also be induced by photoresponsive molecules. The morphological control of giant vesicles in the presence of a water-soluble ortho-tetrafluoroazobenzene photoswitch (F-azo) is demonstrated and it is shown that the shape transformations are based on an increase in membrane area and generation of spontaneous curvature. The vesicles exhibit budding and the buds can be retracted by using light of a different wavelength. In the presence of F-azo, the membrane area can increase by more than 5% as assessed from vesicle electrodeformation. To elucidate the underlying molecular mechanism and the partitioning of F-azo in the membrane, molecular dynamics simulations are employed. Comparison with theoretically calculated shapes reveals that the budded shapes are governed by curvature elasticity, that the spontaneous curvature can be decomposed into a local and a nonlocal contribution, and that the local spontaneous curvature is about 1/(2.5 mu m). The results show that exo- and endocytotic events can be controlled by light and that these photoinduced processes provide an attractive method to change membrane area and morphology.
The past two decades witnessed tremendous progress in the field of creation of different types of responsive materials. Cholesteric polymer networks present a very promising class of smart materials due to the combination of the unique optical properties of cholesteric mesophase and high mechanical properties of polymer networks. In the present work we demonstrate the possibility of fast and reversible photocontrol of the optical properties of cholesteric polymer networks. Several cholesteric photopolymerizable mixtures are prepared, and porous cholesteric network films with different helix pitches are produced by polymerization of these mixtures. An effective and simple method of the introduction of photochromic azobenzene-containing nematic mixture capable of isothermal photoinducing the nematic isotropic phase transition into the porous polymer matrix is developed, It is found that cross-linking density and degree of polymer network filling with a photochromic nematic mixture strongly influence the photo-optical behavior of the obtained composite films. In particular, the densely cross-linked films are characterized by a decrease in selective light reflection bandwidth, whereas weakly cross-linked systems display two processes: the shift of selective light reflection peak and decrease of its width. It is noteworthy that the obtained cholesteric materials are shown to be very promising for the variety applications in optoelectronics and photonics.
The non-ionic monomer (methoxy diethylene glycol) acrylate is copolymerized with its azodye-functionalized acrylate analogue using reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Copolymerization is increasingly difficult with increasing amounts of the azo-dye-bearing monomer. The resulting water-soluble polymers are thermosensitive, exhibiting lower critical solution temperature (LCST) behavior, which can be modulated by the photoinduced trans-cis isomerization of the dye. While already small contents of the hydrophobic azobenzene group reduce the phase-transition temperatures of the copolymers strongly, photoisomerization of the apolar trans-state to the more-polar cis-state has only a small effect, and decreases rather than increases the cloud points.
A new type of self-organized materials based on cholesteric networks filled with photoactive side-chain copolymer is being developed. Supramolecular helical structure of cholesteric polymer network resulting in the selective reflection is used as a photonic scaffold. Photochromic azobenzene-containing nematic copolymer is embedded in cholesteric scaffold and utilized as a photoactive media for optical pattering. 1D and 2D transmission diffraction gratings are successfully recorded in composite films by holographic technique. For the first time the possibility to create selective reflection gratings in cholesteric material mimicking the natural optical properties of cholesteric mesophase is demonstrated. That enables the coexistence of two selective gratings, where one has an intrinsic cholesteric periodic helical structure and the other is a holographic grating generated in photochromic polymer. The full-polymer composites provide high light-induced optical anisotropy due to effective photo-orientation of side-chain fragments of the azobenzene-containing liquid crystalline polymer, and prevent the degradation of the helical superstructure maintaining all optical properties of cholesteric mesophase. The proposed class of optical materials could be easily applied to a broad range of polymeric materials with specific functionality. The versatility of the adjustment and material preprogramming combined with high optical performance makes these materials a highly promising candidate for modern optical and photonic applications.
The goal of the presented work is to explore the interaction between gold nanorods (GNRs) and hyper-sound waves. For the generation of the hyper-sound I have used Azobenzene-containing polymer transducers. Multilayer polymer structures with well-defined thicknesses and smooth interfaces were built via layer-by-layer deposition. Anionic polyelectrolytes with Azobenzene side groups (PAzo) were alternated with cationic polymer PAH, for the creation of transducer films. PSS/PAH multilayer were built for spacer layers, which do not absorb in the visible light range. The properties of the PAzo/PAH film as a transducer are carefully characterized by static and transient optical spectroscopy. The optical and mechanical properties of the transducer are studied on the picosecond time scale. In particular the relative change of the refractive index of the photo-excited and expanded PAH/PAzo is Δn/n = - 2.6*10‐4. Calibration of the generated strain is performed by ultrafast X-ray diffraction calibrated the strain in a Mica substrate, into which the hyper-sound is transduced. By simulating the X-ray data with a linear-chain-model the strain in the transducer under the excitation is derived to be Δd/d ~ 5*10‐4.
Additional to the investigation of the properties of the transducer itself, I have performed a series of experiments to study the penetration of the generated strain into various adjacent materials. By depositing the PAzo/PAH film onto a PAH/PSS structure with gold nanorods incorporated in it, I have shown that nanoscale impurities can be detected via the scattering of hyper-sound.
Prior to the investigation of complex structures containing GNRs and the transducer, I have performed several sets of experiments on GNRs deposited on a small buffer of PSS/PAH. The static and transient response of GNRs is investigated for different fluence of the pump beam and for different dielectric environments (GNRs covered by PSS/PAH).
A systematic analysis of sample architectures is performed in order to construct a sample with the desired effect of GNRs responding to the hyper-sound strain wave. The observed shift of a feature related to the longitudinal plasmon resonance in the transient reflection spectra is interpreted as the event of GNRs sensing the strain wave. We argue that the shift of the longitudinal plasmon resonance is caused by the viscoelastic deformation of the polymer around the nanoparticle. The deformation is induced by the out of plane difference in strain in the area directly under a particle and next to it. Simulations based on the linear chain model support this assumption. Experimentally this assumption is proven by investigating the same structure, with GNRs embedded in a PSS/PAH polymer layer.
The response of GNRs to the hyper-sound wave is also observed for the sample structure with GNRs embedded in PAzo/PAH films. The response of GNRs in this case is explained to be driven by the change of the refractive index of PAzo during the strain propagation.
In festen azobenzenhaltigen Polymeren wurde bei Bestrahlung mit blauem Licht ein makroskopischer Materialtransport beobachtet. Um die Dynamik der Gitterentstehung zu verfolgen, wurde am Speicherring für Synchrotronstrahlung ein Gitterschreibaufbau errichtet. Damit konnte erstmals in dieser Arbeit die Gitterbildungsgeschwindigkeit in-situ simultan mit Röntgen- und Lichtstreuung untersucht werden. Mit Hilfe einer speziellen Anpassung der Röntgenstreutheorie konnten sehr gute Übereinstimmungen von theoretischen Berechnungen mit den Messergebnissen erzielt werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich zeitgleich mit einem Oberflächengitter auch ein Dichtegitter entwickelt. Durch die Trennung beider Streuanteile ließ sich die Dynamik der Strukturentstehungen bestimmen. Des weiteren konnte erstmals mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie die molekulare Orientierung an der Oberfläche eines Oberflächengitters nachgewiesen werden. Die Bewegungsursache kann auf einen Impulsübertrag während der Isomerisierung zurückgeführt werden, während die Bewegungsrichtung durch den elektrischen Feldvektor festgelegt wird. Die Theorie der Gitterentstehung konnte verbessert werden.
Gegenstand der Arbeit ist die lichtinduzierte Orientierung von multifunktionalen Polymeren, die u.a. für die Herstellung von optischen Schichten in Flüssigkristalldisplays verwendet werden können. Dafür wurden Polymere entwickelt, die wenigstens eine mesogene und eine lichtsensitive Gruppe enthalten. Diese Gruppen zeigen Eigenschaften, die für die Orientierung der kompletten Polymerfilme verantwortlich sind. Das Material wird dafür zunächst in einem ersten Schritt kurz mit linear polarisiertem Licht bestrahlt, wobei richtungsabhängig eine photochemische Reaktion an der lichtsensitiven Gruppe erfolgt und dadurch ein "Orientierungskeim" gelegt wird. Durch die thermische Ausrichtung der mesogenen Gruppen an den photochemisch generierten "Orientierungskeimen" erfolgt die komplette Orientierung des Filmes in einem zweiten Schritt. Dadurch wird eine hohe optische Anisotropie erhalten. Dieses Verfahren wurde als Zwei-Stufen-Bulk-Orientierungsprozess bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurden die Photoreaktionen verschiedener lichtsensitiver Gruppen, wie z. B. Azobenzen, Stilben und Zimtsäureester und deren Orientierungsfähigkeit in flüssigkristallinen Polymeren untersucht. Der Orientierungsprozess wurde durch die Wahl geeigneter Bestrahlungsbedingungen optimiert. Die Effizienz der Orientierung wurde anhand der sich verändernden winkelabhängigen Absorptionseigenschaften und der Doppelbrechung des Materials analysiert. Es wurde gezeigt, dass eine effiziente lichtinduzierte Orientierung bei einer Vielzahl von flüssigkristallinen Polymeren realisierbar ist. So wurde z. B. erstmalig gefunden, dass durch eine Photo-Fries-Orientierung eine hohe optische Anisotropie erhalten werden kann. Außerdem wurde eine neue lichtsensitive Gruppe auf der Basis von Donor-Akzeptor-substituiertem Ethen entwickelt, die farbneutral ist und durch polarisiertes UV-Licht sowohl orientiert als auch re-orientiert werden kann. Es wurden weiterhin Polymere entwickelt, die zusätzlich zu den photosensitiven und flüssigkristallinen Einheiten, fluoreszierende Gruppen enthalten. Die Auswahl geeigneter Fluoreszenzverbindungen erfolgte aufgrund ihrer anisometrischen Form, ihrer Ordnungsparameter in einer niedermolekularen Flüssigkristallmischung und ihrer Photostabilität. Das Orientierungsverhalten von ausgewählten Fluorophoren wurde in sechs Ter- und zwei Copolymeren untersucht. Das Prinzip der Orientierung beruht auf einer kooperativen Ausrichtung der Seitengruppen. Aus diesem Grund kommt dem Nachweis der Kooperativität in der vorliegenden Arbeit eine besondere Stellung zu. Durch lichtinduzierte Bulk-Orientierung wurden Filme erhalten, welche durch eine richtungsabhängige Fluoreszenz und Absorption im sichtbaren- oder UV-Bereich charakterisiert sind. Die Fluoreszenz wird durch einige lichtsensitive Verbindungen komplett gelöscht. Die wahlweise erhaltenen anisotropen Filme von farbigen, fluoreszierenden oder farbneutralen Verbindungen, die zudem in kleinen Pixeln von wenigen Mikrometern orientiert werden können, eröffnen vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz von multi-funktionalen Polymeren als optische Schichten in Flüssigkristalldisplays.
Die Beeinflussung optischer Eigenschaften durch Bestrahlung stellt eine Grundlage für die Herstellung anisotroper optischer Komponenten dar. In dünnen Schichten von Azobenzen-Polymeren kann optische Anisotropie durch linear polarisierte Bestrahlung induziert oder modifiziert werden. Ziel der Arbeit war es, wesentliche Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zum Prozess der Photoorientierung zu erarbeiten, um so eine Optimierung der Materialien für verschiedene Anwendungen ermöglichen. In isotropen Schichten flüssigkristalliner und amorpher Azobenzen-Polymeren wird das Ausmaß der induzierten optischen Anisotropie günstig durch eine Donor/Akzeptor-Substitution in 4,4'-Position beeinflusst. Die Induktionsgeschwindigkeit ist in Schichten flüssigkristalliner Polymeren deutlich geringer, jedoch lassen sich höhere Werte der Doppelbrechung und des Dichroismus erreichen. In Copolymeren bewirkt die Photoorientierung der Azobenzen-Seitengruppen eine kooperative Orientierung von formanisotropen Seitengruppen. Die Mesogenität der nicht-photochromen Seitengruppen erhöht das Ausmaß der induzierten optischen Anisotropie. Die Stabilität der induzierten Doppelbrechung und des Dichroismus wird durch diese Gruppen gesteigert. In Schichten flüssigkristalliner Polymeren wird die induzierte optische Anisotropie beim Tempern im Bereich der Mesophasen erheblich verstärkt. Dabei reicht ein geringes Maß an induzierter Anisotropie aus, um Doppelbrechungs- und Dichroismuswerte zu erzielen, wie sie für LC-Domänen typisch sind. In orientierten Schichten von Azobenzen-Polymeren wird das Resultat der linear polarisierten Bestrahlung durch die Stärke der anisotropen Wechselwirkungen in den flüssigkristallinen Domänen oder den LB-Multilayern bestimmt. Eine lichtinduzierte Reorientierung kann nur erreicht werden, wenn diese Wechselwirkungen überwunden werden können. Erfolgt eine Photoreorientierung in den orientierten Polymerschichten, werden in Copolymeren formanisotrope Seitengruppen ebenfalls kooperativ reorientiert. Eine vorgelagerte UV-Bestrahlung kann durch Erzeugung eines hohen Anteils an nicht-mesogenen Z-Isomeren die anisotropen Wechselwirkungen stark schwächen und so die Seitengruppen entkoppeln. Aus diesem Zustand erfolgt die Photoreorientierung mit einer der Photoorientierung in isotropen Schichten vergleichbaren Effizienz. Die erarbeiteten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen liefern einen Beitrag zur Optimierung derartiger Materialien für Anwendungen in den Bereichen optischer Funktionsschichten, holographischer Datenspeicherung oder der Generierung von Oberflächenreliefgittern.
The strong adhesion of sub-micron sized particles to surfaces is a nuisance, both for removing contaminating colloids from surfaces and for conscious manipulation of particles to create and test novel micro/nano-scale assemblies. The obvious idea of using detergents to ease these processes suffers from a lack of control: the action of any conventional surface-modifying agent is immediate and global. With photosensitive azobenzene containing surfactants we overcome these limitations. Such photo-soaps contain optical switches (azobenzene molecules), which upon illumination with light of appropriate wavelength undergo reversible trans-cis photo-isomerization resulting in a subsequent change of the physico-chemical molecular properties. In this work we show that when a spatial gradient in the composition of trans- and cis- isomers is created near a solid-liquid interface, a substantial hydrodynamic flow can be initiated, the spatial extent of which can be set, e.g., by the shape of a laser spot. We propose the concept of light induced diffusioosmosis driving the flow, which can remove, gather or pattern a particle assembly at a solid-liquid interface. In other words, in addition to providing a soap we implement selectivity: particles are mobilized and moved at the time of illumination, and only across the illuminated area.