Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Konstanz, Univ., Diss., 2008.

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Die Benetzbarkeit und Nichtbenetzbarkeit von Oberflächen durch eine Flüssigkeit sind faszinierende und wichtige Phänomene in Wissenschaft und Technologie. Jüngst wurde entdeckt, dass Partikel die Benetzung einer Wasseroberfläche durch ein Öl unterstützen können. Es wurde eine Theorie entwickelt, das Prinzip der zu beschreiben. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde diese Theorie im Experiment sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht, wobei zwei Arten von Kieselgelpartikeln Verwendung fanden. Mit Hilfe einer Reihe unregelmäßig geformter Partikel mit variierender Hydrophobie wurde der Einfluss der Oberflächenhydrophobie der Partikel auf die partikel-assistierte Benetzung untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die Partikel mit höchster Hydrophilie Linsen aus reinem Öl bilden, während die Partikel in die Wasserphase abtauchen. Die Partikel mit größter Hydrophobie hingegen bewirken die Ausbildung von kleinen Bereichen, in denen Öl und Partikel eine stabile homogene Schicht formen. Für Partikel mit mittlerer Hydrophobie wurden beide Phänomene beobachtet. Diese drei verschiedenen Beobachtungen bestätigen, dass die Oberflächenhydrophobie der Partikel das Benetzungsverhalten des Öls auf der Wasseroberfläche bestimmen. Für die unregelmäßig geformten Partikel war aufgrund des unbekannten Kontaktwinkels ein direkter Vergleich zur Theorie nicht möglich. Um die Theorie quantitativ zu prüfen, wurden sphärische Partikel synthetisiert und ihre Oberflächen mit Hilfe von zehn Silanisierungsmittel modifiziert. Anschließend wurde ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit dem entsprechenden theoretischen Phasendiagramm durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass die theoretischen Vorhersagen zum Großteil mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Es wurden alle Fälle der Benetzung beobachtet, die auch in der theoretischen Beschreibung berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurden auch Abweichungen von der Theorie festgestellt. Haben die Partikel ähnliche Affinitäten zur Luft/Öl- und Öl/Wasser-Grenzfläche, hängt die Beschaffenheit der Benetzungsfilme zusätzlich vom Oberflächendruck ab. Deshalb könnte es notwendig sein, die einfache Theorie zu erweitern um den beschriebenen Beobachtungen Rechnung zu tragen. / Wetting and de-wetting of surfaces by a liquid are fascinating and important phenomena in science and technology. Recently, it was discovered that particles can assist the wetting of a water surface by an oil, and a theory describing the principle behind particle assisted wetting was developed. In this thesis, the theory was experimentally investigated qualitatively and quantitatively by using two series of silica particles. The influence of the surface hydrophobicity of the particles on particle assisted wetting was investigated by a series of irregular shaped particles with varying hydrophobicity. By applying mixtures of particles and oil to a water surface, it was found that for the most hydrophilic particles, only lenses of pure oil formed, with the particles being submerged into the aqueous phase. The most hydrophobic particles helped to form patches of stable homogenous mixed layers composed of oil and particles. For particles with intermediate hydrophobicity, lenses and patches of mixed layers were observed. These three different observations verified that the hydrophobicity of the particle surface determines the wetting behaviour of the oil at the water surface. For the irregular shaped particles with unknown contact angles with liquid interfaces, no direct comparison to the theory was possible. To test the theory quantitatively, a series of spherical particles was synthesized and their surfaces were modified by ten kinds of silane coupling agents; then the experimental results were compared with the corresponding theoretical phase diagram. It indicated that the theory agrees at large with the experimental results. All scenarios of wetting layers taken into account in the theoretical description were observed. In the fine print, deviations from the theory were also observed. If the particles have similar affinities to air/oil and oil/water interfaces, the experimentally observed morphology of the wetting layers depends in addition on the surface pressure. It might therefore be necessary to extend the simple theoretical picture to take these observations into accounts.

Understanding the principles of self-organisation exhibited by block copolymers requires the combination of synthetic and physicochemical knowledge. The ability to synthesise block copolymers with desired architecture facilitates the ability to manipulate their aggregation behaviour, thus providing the key to nanotechnology. Apart from relative block volumes, the size and morphology of the produced nanostructures is controlled by the effective incompatibility between the different blocks. Since polymerisation techniques allowing for the synthesis of well-defined block copolymers are restricted to a limited number of monomers, the ability to tune the incompatibility is very limited. <br><br> Nevertheless, Polymer Analogue Reactions can offer another possibility for the production of functional block copolymers by chemical modifications of well-defined polymer precursors. Therefore, by applying appropriate modification methods both volume fractions and incompatibility, can be adjusted. Moreover, copolymers with introduced functional units allow utilization of the concept of molecular recognition in the world of synthetic polymers.<br><br> The present work describes a modular synthetic approach towards functional block copolymers. Radical addition of functional mercaptanes was employed for the introduction of diverse functional groups to polybutadiene-containing block copolymers. Various modifications of 1,2-polybutadiene-poly(ethylene oxide) block copolymer precursors are described in detail. Furthermore, extension of the concept to 1,2-polybutadiene-polystyrene block copolymers is demonstrated. Further investigations involved the self-organisation of the modified block copolymers. Formed aggregates in aqueous solutions of block copolymers with introduced carboxylic acid, amine and hydroxyl groups as well as fluorinated chains were characterised. Study of the aggregation behaviour allowed general conclusions to be drawn regarding the influence of the introduced groups on the self-organisation of the modified copolymers. Finally, possibilities for the formation of complexes, based on electrostatic or hydrogen-bonding interactions in mixtures of block copolymers bearing mutually interacting functional groups, were investigated. / Um die Prinzipien der Selbstorganisation von Blockcopolymeren zu verstehen, ist es notwendig das Wissen auf den Gebieten der Synthese und der Physikochemie zu kombinieren. Die Fähigkeit, Blockcopolymere mit gewünschter Architektur zu synthetisieren, gibt einem auch die Möglichkeit das Aggregationsverhalten zu steuern, was wiederum der Schlüssel zur Nanotechnologie ist. Abgesehen von den relativen Blockvolumina, wird die Größe und Morphologie der gebildeten Nanostrukturen durch die effektive Inkompartibilität zwischen den unterschiedlichen Blöcken bestimmt. Da die Polymerisationstechniken, mit denen man gut definierte Blockcopolymere synthetisieren kann, auf bestimmte Monomere beschränkt sind, läßt sich diese Inkompatibilität nur eingeschränkt abstimmen. Polymeranaloge Reaktionen können dagegen eine Möglichkeit bieten, funktionale Blockcopolymere durch die chemische Modifizierung von gut definierten Copolymeren zu erhalten. Somit können, bei Verwendung von geeigneten Modifikationsmethoden, die Volumenanteile sowie die Inkompatibilität der Blöcke angepasst werden. Außerdem können Copolymere, die funktionelle Gruppe enthalten, es ermöglichen das Prinzip der molekularen Erkennung (Schloss-Schlüssel) auf dem Gebiet der synthetischen Polymere anzuwenden.<br><br> Die vorleigende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur modularen Synthese von funktionalen Blockcopolymeren. Durch radikalische Addition von funktionellen Mercaptanen wurden in Copolymere mit einem Polybutadien-Block verschiedenen funktionelle Gruppen eingebracht. Von 1,2-Polybutadien-Polyethylenoxid Blockcopolymeren werden dabei mehrere Modifikationen im Detail beschrieben. Zudem wird die Erweiterung des Konzepts auf 1,2-Polybutadien-Polystyrol Blockcopolymere gezeigt. Die weiteren Untersuchungen betrafen die Selbstorganisation der modifizierten Blockcopolymere in Lösung. Hierbei wurden die Aggregate, die in wässriger Lösung von Blockcopolymeren mit Carbonsäure-, Amin- und Hydroxylgruppen sowie fluorierte Ketten gebildet werden, charakterisiert. Die Untersuchung des Aggregationsverhaltens erlaubt es, generelle Aussagen über den Einfluss der eingebrachten Gruppen auf die Selbstorganisation der modifizierten Copolymere zu treffen. Abschließend wurde die Bildung von Komplexen auf der Basis von elektrostatischer Wechselwirkung oder Wasserstoffbrückenbindung in Mischungen aus Copolymeren, die untereinander Wechselwirkende funktionale Gruppe besitzen, untersucht.

Self-assembly of polymeric building blocks is a powerful tool for the design of novel materials and structures that combine different properties and may respond to external stimuli. In the past decades, most studies were focused on the self-assembly of amphiphilic diblock copolymers in solution. The dissolution of these block copolymers in a solvent selective for one block results mostly in the formation of micelles. The micellar structure of diblock copolymers is inherently limited to a homogeneous core surrounded by a corona, which keeps the micelle in solution. Thus, for drug-delivery applications, such structures only offer a single domain (the hydrophobic inner core) for drug entrapment. Whereas multicompartment micelles composed of a water-soluble shell and a segregated hydrophobic core are novel, interesting morphologies for applications in a variety of fields including medicine, pharmacy and biotechnology. The separated incompatible compartments of the hydrophobic core could enable the selective entrapment and release of various hydrophobic drugs while the hydrophilic shell would permit the stabilization of these nanostructures in physiological media. However, so far, the preparation and control of stable multicompartment micellar systems are in the first stages and the number of morphological studies concerning such micelles is rather low. Thus considerably little is known about their exact inner structures. In the present study, we concentrate on four different approaches for the preparation of multicompartment micelles by self-assembly in aqueous media. A similarity of all approaches was that hydrocarbon and fluorocarbon blocks were selected for all employed copolymers since such segments tend to be strongly incompatible, and thus favor the segregation into distinct domains. Our studies have shown that the self-assembly of the utilized copolymers in aqueous solution leads in three cases to the formation of multicompartment micelles. As expected the shape and size of the micelles depend on the molecular architecture and to some extent also on the way of preparation. These novel structured colloids may serve as models as well as mimics for biological structures such as globular proteins, and may open interesting opportunities for nanotechnology applications. / Die Selbstorganisation von synthetischen amphiphilen Blockcopolymeren ist ein vielseitiger Prozeß, der die Entwicklung von neuartigen Materialien, die verschiedene Eigenschaften miteinander verbinden und auch auf äußere Reize reagieren können, ermöglicht. In den letzten Jahrzehnten haben sich viele Untersuchungen mit der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren in Lösung beschäftigt. So bilden zum Beispiel amphiphile Diblock-Copolymere in Wasser meist Mizellen die einen hydrophoben Kern und eine hydrophile Hülle besitzen. Ihre potentielle Anwendung als Wirkstoffträger ist jedoch begrenzt, da für die Einlagerung nur ein hydrophober Bereich zur Verfügung steht. Multikompartment-Mizellen, bestehend aus einer wasserlöslichen Hülle und einem unterteilten hydrophoben Kern, sind dagegen neuartige und sehr interessante Strukturen für die Nanotechnologie und im speziellen für die Nanobiotechnologie, da sie sich zum Beispiel als Träger für Arznei- und Wirkstoffe eignen. So könnten in die separaten und untereinander nicht mischbaren Kompartimente im Kern der Mizelle verschiedene hydrophobe Wirkstoffe selektiv eingelagert und auch freigesetzt werden, wobei die hydrophile Hülle die Nanostrukturen im physiologischen Medium stabilisiert. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien für die Herstellung von Multikompartiment-Mizellen vorgeschlagen. Bis jetzt gibt es jedoch nur eine begrenzte Anzahl an Untersuchungen, die sich mit der Morphologie solcher Mizellen befassen und somit ist auch wenig über ihre innere Struktur bekannt. In der vorliegenden Arbeit konzentrieren wir uns auf vier verschiedene Ansätze zur Herstellung von Multikompartiment-Mizellen durch Selbstorganisation in wässriger Lösung. Eine Gemeinsamkeit bei allen Ansätzen ist, das die untersuchten Copolymere einen hydrophoben Kohlenwasserstoff-Block sowie einen Fluorkohlenstoff-Block besitzen. Die Kombination von Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenstoff-Blöcken wurden gewählt, weil solche Segmente in der Regel nicht miteinander kompatibel sind und somit die Aufteilung in separate Domänen begünstigen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Selbstorganisation der verwendeten Copolymere in wässriger Lösung in drei Fällen zu Multikompartiment-Mizellen führt. Die Form und Größe der Mizellen ist erwartungsgemäß von der Molekülarchitektur und zum Teil auch vom Präparationsweg abhängig. Diese neuartigen, nanostrukturierten Kolloide könnten als Modell und Mimetika für biologische Strukturen wie die von globulären Proteinen fungieren. Sie eröffnen weiterhin interessante Möglichkeiten für Anwendungen in der Nanotechnologie.

This paper presents a homogeneous system of magnetic colloidal particles that self-assembles via two structural patterns of different symmetry. Based on a qualitative comparison between a real magnetic particles system, analytical calculations and molecular dynamics simulations, it is shown that bistability can be achieved by a proper tailoring of an anisotropic magnetization distribution inside the particles. The presented bistability opens new possibilities to form two-dimensionally extended and flexible structures where the connectivity between the particles can be changed in vivo. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Polymerverkapselte magnetische Nanopartikel versprechen, in der Zukunft sehr erfolgreich bei Anwendungen in der Biologie und der Medizin eingesetzt werden zu können z. B. in der Krebstherapie und als Kontrastmittel bei der magnetischen Kernspinresonanztomographie. Diese Arbeit zeigt, dass durch die interdisziplinäre Kombination verschiedener Techniken Herstellungsverfahren und Eigenschaften solcher Partikel verbessert werden können. <br /> <br /> Unter Miniemulsionen versteht man wässrige Dispersionen relativ stabiler Öltröpfchen, zwischen 30 und 50 nm Größe. Ein Nanometer (nm) ist der 1.000.000.000ste Teil eines Meters. Ein Haar ist ungefähr 60.000 Nanometer breit.<br /> <br /> Hergestellt werden Miniemulsionen durch Scherung eines Systems bestehend aus Öl, Wasser, Tensid (Seife) und einer weiteren Komponente, dem Hydrophob, das die Tröpfchen stabilisieren soll. Die Polymerisation von Miniemulsionen ermöglicht die Verkapselung anorganischer Materialen z. B. magnetischer Teilchen oder Gadolinium-haltiger Komponenten. Zu Optimierung des Verkapselung, ist es notwendig, die richtige Menge eines geeigneten Tensids zu finden. <br /> <br /> Die magnetischen polymerverkapselten Nanopartikel, die in einer wässrigen Trägerflüssigkeit dispergiert sind, zeigen in Abhängigkeit von Partikelgröße, Zusammensetzung, elektronischer Beschaffenheit, etc. ein sogenanntes superpara- oder paramagnetisches Verhalten. Superpara- oder paramagnetisches Verhalten bedeutet, dass die Flüssigkeiten in Anwesenheit äußerer Magnetfeldern ihre Fließfähigkeit beibehalten. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, haben sie keine Erinnerung mehr daran, unter dem Einfluss eines Magnetfeldes gestanden zu haben, d. h., dass sie nach Abschalten des Magnetfeldes selbst nicht mehr magnetisch sind. <br /> <br /> Die Vorteile des Miniemulsionsverfahrens sind der hohe Gehalt und die homogene Verteilung magnetischer Teilchen in den einzelnen Nanopartikeln. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren nanostrukturierte Kompositpartikel herzustellen, wie z. B polymerverkapselte Nanopartikel mit Nanoschichten bestehend aus magnetischen Molekülen. / Combining the magnetic properties of a given material with the tremendous advantages of colloids can exponentially increase the advantages of both systems. This thesis deals with the field of magnetic nanotechnology. Thus, the design and characterization of new magnetic colloids with fascinating properties compared with the bulk materials is presented. <br /> <br /> Ferrofluids are referred to either as water or organic stable dispersions of superparamagnetic nanoparticles which respond to the application of an external magnetic field but lose their magnetization in the absence of a magnetic field. <br /> <br /> In the first part of this thesis, a three-step synthesis for the fabrication of a novel water-based ferrofluid is presented. The encapsulation of high amounts of magnetite into polystyrene particles can efficiently be achieved by a new process including two miniemulsion processes. The ferrofluids consist of novel magnetite polystyrene nanoparticles dispersed in water which are obtained by three-step process including coprecipitation of magnetite, its hydrophobization and further surfactant coating to enable the redispersion in water and the posterior encapsulation into polystyrene by miniemulsion polymerization. It is a desire to take advantage of a potential thermodynamic control for the design of nanoparticles, and the concept of &quot;nanoreactors&quot; where the essential ingredients for the formation of the nanoparticles are already in the beginning. The formulation and application of polymer particles and hybrid particles composed of polymeric and magnetic material is of high interest for biomedical applications. Ferrofluids can for instance be used in medicine for cancer therapy and magnetic resonance imaging.<br /> <br /> Superparamagnetic or paramagnetic colloids containing iron or gadolinium are also used as magnetic resonance imaging contrast agent, for example as a important tool in the diagnosis of cancer, since they enhance the relaxation of the water of the neighbouring zones. New nanostructured composites by the thermal decomposition of iron pentacarbonyl in the monomer phase and thereafter the formation of paramagnetic nanocomposites by miniemulsion polymerization are discussed in the second part of this thesis. In order to obtain the confined paramagnetic nanocomposites a two-step process was used. In the first step, the thermal decomposition of the iron pentacarbonyl was obtained in the monomer phase using oleic acid as stabilizer. In the second step, this iron-containing monomer dispersion was used for making a miniemulsion polymerization thereof. <br /> <br /> The addition of lanthanide complexes to ester-containing monomers such as butyl acrylate and subsequent polymerization leading to the spontaneous formation of highly organized layered nanocomposites is presented in the final part of this thesis. By an one-step miniemulsion process, the formation of a lamellar structure within the polymer nanoparticles is achieved. The magnetization and the NMR relaxation measurements have shown these new layered nanocomposites to be very apt for application as contrast agent in magnetic resonance imaging.

Particle dispersions provide a promising tool for the engineering of functional materials that exploit self-assembly of complex structures. Dispersion made from magnetic colloidal particles is a great choice; they are biocompatible and remotely controllable among many other advantages. However, their dominating dipolar interaction typically limits structural complexity to linear arrangements. This paper shows how a magnetostatic equilibrium state with noncollinear arrangement of the magnetic moments, as reported for ferromagnetic Janus particles, enables the controlled self-organization of diverse structures in two dimensions via constant and low-frequency external magnetic fields. Branched clusters of staggered chains, compact clusters, linear chains, and dispersed single particles can be formed and interconverted reversibly in a controlled way. The structural diversity is a consequence of both the inhomogeneity and the spatial extension of the magnetization distribution inside the particles. We draw this conclusion from calculations based on a model of spheres with multiple shifted dipoles. The results demonstrate that fundamentally new possibilities for responsive magnetic materials can arise from interactions between particles with a spatially extended, anisotropic magnetization distribution.