Essen, Universiẗat, Diss., 2004--Duisburg.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Etablierung einer neuen Methode zur Durchführung von Diffusionsmessungen innerhalb weniger Nanometer dicker Polyelektrolytmultischichten. An das Polykation PAH wurde der Fluorophor NBD gekoppelt. PAH-NBD kann im Rahmen des Beschichtungsprozesses an verschiedene Positionen des auf kolloidalen Teilchen adsorbierten PAH/PSS-Multifilms lokalisiert werden. Nach Dithionitzugabe wird die Fluoreszenz durch die ablaufende Reduktionsreaktion zwischen NBD und Dithionit gelöscht. Die Abnahme der Fluoreszenzintensität wird flowzytometrisch detektiert. Die Auswertung der Daten erfolgte auf der Grundlage verschiedener theoretischer Näherungslösungen für Subdiffusion, gekoppelt mit der Reaktionskinetik der Fluoreszenzlöschung. Die Ergebnisse sind nicht mit normaler Diffusion innerhalb der Schichten vereinbar. Vielmehr ergibt sich eine stark subdiffusive Transportcharakteristik des Dithionits innerhalb des Polyelektrolytmultifilms. Als Ursachen hierfür werden die Wechselwirkungen der Dithionitmoleküle mit den PAH-Molekülen sowie die unterschiedlichen Zugänglichkeiten der NBD-Moleküle für die diffundierenden Dithionitmoleküle durch ständige Konformationsänderungen der PAH-Moleküle angesehen. Hervorzuheben ist, dass erstmalig eine Technik etabliert wurde, mit welcher Diffusionsmessungen auf nanoskopischer Skala innerhalb von Polyelektrolytmultischichten durchgeführt werden können. Die subdiffusive Kinetik ist im Vergleich zu normaler Diffusion stark verzögert und ermöglicht dadurch einen länger anhaltenden Stofftransport, was für die Anwendung der Polyelektrolytmultischichten als Medikamententräger besonders vorteilhaft ist. Es wurde gezeigt, dass die Ladung der obersten Schicht des Polyelektrolytmultifilms einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und die Struktur der Polyelektrolytmatrix, und das ebenfalls in tieferen Bereichen der Polyelektrolytmultischicht, hat.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2005.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2002--Münster (Westfalen).

Title: Self-assembly of polyelectrolytes in aqueous solutions (dissipative particle dynamics) Author: Karel Šindelka Department: Faculty of science, Charles University in Prague Supervisor: Doc. Ing. Zuzana Limpouchová, CSc. Consultant: Doc. Ing. Martin Lísal, DSc. Abstract In the thesis, the coarse-grained dissipative particle dynamics (DPD) is used for the study of self-assembly of equimolar mixtures of oppositely charged symmetric block PEs with one PE block (either strong polycation or strong polyanion) and one readily water-soluble neutral block in aqueous media. In the first part of the diploma thesis, the principles of DPD simulations are described and the correct implementation of electrostatic interactions in the DPD method is demonstrated on the example of counterion (Manning) condensation. In the second main part, the effect of the blocks solubility, incompatibility and the interplay of different forces on electrostatic assembly is investigated. The cor- responding neutral systems are also simulated for comparison. The study shows that the hydrophobicity of the PE backbone and the incompatibility of blocks sig- nificantly affects the electrsotatic co-assembly. The presence of opposite charges on different chains promotes the aggregation process and the aggregation number in- creases in comparison...

Es wurden planare Substrate mittels Flüssigphasenabscheidung mit Titandioxid beschichtet. Durch Absorption von Polyelektrolyten konnte die chemische Beschaffenheit der Substratoberfläche so verändert werden, daß die verwendbaren Substratmaterialien zur Beschichtung mit dem LPD-Verfahren um Glas, Polycarbonat, PET und Polyethylen erweitert wurden. Bedeutung kommt besonders der LPD-Beschichtung auf Borosilicatglas zu, da damit erstmalig ein Vergleich zwischen TiO2-Schichten aus der Flüssigphasenabscheidung und Schichten, die mittels Sol-Gel-Verfahren gewonnen wurden, möglich wurde. Der systematische Vergleich zwischen den Schichten der beiden Beschichtungsverfahren, ergab, daß Sol-Gel-Beschichtungen eine thermische Nachbehandlung mit Temperaturen größer 400°C benötigen, um ihre optimalen optischen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Dabei tritt zwar eine starke Schrumpfung durch die Pyrolyse organischer Reste und Kristallisation auf. Jedoch führt diese Schrumpfung zu keiner Rißbildung oder Delaminierung. Im Gegenteil, die Ausbildung eines anorganischen Netzwerkes führt zum Aushärten der Schicht. Die bei höheren Temperaturen auftretende Kristallisation ermöglicht einen höheren Brechungsindex der Schicht bei gleichbleibend sehr guter Transparenz. Die bereits teilkristallin abgeschiedenen TiO2-Filme aus dem LPD-Verfahren schrumpfen zwar weit weniger stark als die Sol-Gel-Schichten, durch eine schlechte Haftung auf der Glasoberfläche verbreitern sich jedoch bereits vorhandene schmale Risse. Die Pyrolyse des Polyelektrolytlayers führt zum Verlust der haftvermittelnden Schicht und damit zu einem drastischen Rückgang der Schichthaftung und daraus bedingend der Bleistifthärte. Die Rißbildung verursacht einen starken Anstieg der Schichttrübung. Weiterhin verursacht die Rißverbreitung bei steigender Temperatur einen geringeren Brechzahlanstieg, als dies das LPD-Material ermöglichen würde. Durch diese Ergebnisse wird offensichtlich, daß für Substrate, die hohe Temperaturen ermöglichen, Sol-Gel-Beschichtungen dem LPD-Verfahren vorzuziehen ist. Für thermisch nicht belastbare Substrate stellt die Flüssigphasenabscheidung jedoch ein sehr gutes Beschichtungsverfahren dar. Um bestmögliche Ergebnisse mit dem LPD-Verfahren zu erzielen, kommt der Modifizierung der Substratoberfläche eine entscheiden Bedeutung zu. Zur bereits bekannten Oberflächenmodifizierung durch Ätzen mit Natriumperoxodisulfat (Hydroxylierung) wurde hierbei die zusätzliche bzw. alleinige Funktionalisierung durch Adsorption eines Polyelektrolytbilayers untersucht. Durch die Verwendung eines Polyelektrolytbilayers konnte die Dichte an Kristallisationsstellen im Vergleich zum unbehandelten bzw. hydroxylierten Substrat erhöht werden. Dies führte im Einklang mit dem bekannten Schichtwachstummodell zu gleichmäßigeren Beschichtungen. Der Einsatz des Polyelektrolytbilayers konnte in allen Fällen dazu genutzt werden, die Trübung der Schicht zu verringern. Dabei wurden Trübungswerte größer 50 % meist auf Werte von ca. 20 % und kleiner verbessert. Hohe Keimdichten bewirken dabei eine geringe Trübung. Jedoch konnte auch bei geringeren Keimdichten durch den Polyelektrolytbilayer geringe Trübungswerte erreicht werden. Bei der mechanischen Charakterisierung der TiO2-Schichten konnte festgestellt werden, daß bei den polymeren Substraten durch Hydroxylierung oder den Polyelektrolytbilayer die Schichthaftung verbessert werden. Eine Abhängigkeit der mechanischen Schichteigenschaften von der Substrathärt konnte mit Ausnahme des sehr weichen Polyethylens nicht gefunden werden. Jedoch ist für eine hohe Bleistifthärte eine gute Haftung nötig. Abriebuntersuchungen mit einem Filzstempel (Crockmetertest) zeigten ein analoges Verhalten zum Bleistifthärtetest. Um eventuell auftretende Nachteile der weichen Polymere ausgleichen zu können, wurden parallel Polystyrolsubstrate, beschichtet mit einer ORMOCER®-Hartschicht, untersucht. Dabei wurden sehr gute Ergebnisse in Hinblick auf Keimstellendichte, optische und mechanische Eigenschaften erzielt. / Planar substrates were coated with titanium dioxide by liquid phase deposition. The chemical properties of substrate surface were changed through adsorption of polyelectrolytes, so that coating of glass, polycarbonate, PET and polyethylene with the LPD process could be done. Especially the LPD-Coating on borofloatglass is of importance. For the first time, a comparison between coatings from liquid phase deposition and coatings from sol-gel process became possible. The systematic comparison between the films of the two coating processes showed that sol-gel coatings need a thermal treatment at temperature above 400 °C to unfold their optimal optical and mechanical properties. Thereby a high shrinkage caused by pyrolysis of organic residues and crystrallisation occurs. But that shrinkage does not lead to formation of cracks or delamination. In Contrast, the formation of a inorganic backbone leads to a hardening of the film. At higher temperature emerging crystallisation enables a higher refractive index with constant very good transparency. The partially crystalline films from the LPD-process shrink much less than the sol-gel films. But caused by a bad adhesion on the glass surface small cracks get broadened. Pyrolysis of polyelectrolytes leads to a loss of the bonding agent and associated with that to dramatic decrease in adhesion and pencil hardness. The formation of cracks causes an high increase in the haze of the film. The broadening of cracks at rising temperature avoids a higher increase in refractive index as could be possible from the LPD-material properties. These results reveal that for substrates tolerating high temperatures sol-gel-coating is preferable to the LPD-process. For thermal non-stable substrates the liquid phase deposition is a very suitable coating technique. To achieve best possible results with the LPD-Process, the modification of the substrate surface is of importance. Beside the already known surface modification through etching with sodium peroxodisulfate (hydroxylation) the additional or exclusive surfacemodification through of adsorption a polyelectrolytebilayer was investigated. By the application of a polyelectrolytebilayer the density of nucleation sites could be increased in comparison with the untreated or hydroxylated substrate. This leads in consistence with the known film formation model to more homogeneous coatings. In general the application of the polyelectrolytebilayer reduced the haze of the film. In most cases the haze was decreased from 50 % and higher to 20% and lower. High densities of nucleation sites effect a low haze. But using the polyelectrolytebilayer low haze could also achieved despite a low nuclei density. Based on the mechanical characterisation of the TiO2-films could be demonstrated that on polymeric substrates the adhesion increases if hydroxylation or polyelctrolytebilayers are used. A dependence of mechanical film properties on the hardness of the substrate could not be detected with the exception of the very soft polyethylene. For a high pencil hardness a high adhesion is the crucial factor . Abrasion test with a felt die (Crockmeter)showed an analogue behaviour as the pencil hardness test. To compensate potential disadvantages from the soft polymers, polystyrene substrates with a ORMOCER®-hardcover-film were examined. Films on these substrates showed very good results refering to the density of nucleation sites, optical and mechanical properties.

Der Adhäsionsprozess an Cellulosefasern sollte bis hin zur molekularen Ebene aufgeklärt werden. Zuerst wurde eine definierte Celluloseoberfläche durch Aufschleudern hergestellt und eingehend charakterisiert wurde. Die Beschaffenheit der Oberfläche ist stark abhängig von der Konzentration Celluloselösung, die für das Aufschleudern benutzt wurde. Für geringe Konzentrationen bildete sich ein Netzwerk von Cellulosefibrillen über die Siliziumoberfläche aus. In einem mittleren Bereich wurden geschlossene Filme mit Dicken zwischen 1,5 und ca. 10 nm erhalten. Diese Filme wiesen eine Rauhigkeit unter 2 nm auf, was der Größe eines Cellulosemoleküls entspräche. Mit höheren Konzentrationen wurden die Filme dicker und auch rauer. <br><br> Die molekular glatten Cellulosefilme wurden zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zwischen Celluloseoberflächen und ihrer Modifikation durch den Einfluss von Haftvermittlern (Polyelektrolyte) eingesetzt. Dafür wurde das Haftungsvermögen von Celluloseperlen auf der glatten Celluloseoberfläche analysiert. Die Adhäsion der Celluloseperlen hängt dabei von der Menge und von der Art des adsorbierten Polyelektrolyts ab. Geringe Polyelektrolytkonzentrationen ermöglichen wegen der teilweisen Bedeckung der Celluloseoberflächen eine Verstärkung der Haftvermittlung (Adhäsion). Höhere Konzentrationen an Polyelektrolyten bedecken die Celluloseoberfläche komplett, so dass die Symmetrie der Polyelektrolytadsorption entscheidend wird. Wenn Celluloseperlen und glatte Celluloseoberfläche gleichzeitig mit Polyelektrolyten beschichtet werden verringert sich bei hohen Konzentrationen die Adhäsion erheblich. Ein hohes Maß an Adhäsion wird dagegen erreicht, wenn nur eine der beiden gegenüberliegende Celluloseoberflächen separat beschichtet und dann in Kontakt mit der anderen gebracht Oberfläche wurde. <br><br> Der Einfluss einer äußeren Kraft auf die haftenden Celluloseperlen wurde untersucht, um eine Aussage über die auftretenden Adhäsionskräfte machen zu können. Dafür wurde eine spezielle Strömungszelle entwickelt, mit der die Bewegung von Celluloseperlen beobachtet werden kann. Je nach Ausrichtung der Strömungszelle bewegten sich die Celluloseperlen unterschiedlich schnell. War die Strömungszelle horizontal ausgerichtet, wirkte zusätzlich zur Adhäsionskraft noch die Gravitation auf die Oberfläche, so dass hier eine wesentlich langsamere Durchschnittsgeschwindigkeit ermittelt wurde als für die Messungen in vertikaler Ausrichtung. <br><br> Die Zugabe von verschiedenen Polyelektrolyten bei den Messungen mit der Strömungszelle hatte einen erheblichen Einfluss auf die Beweglichkeit der haftenden Celluloseperlen. Bei geringen Polyelektrolytkonzentrationen wurde das Potential der einzelnen Polyelektrolyten zur effektiven Haftvermittlung durch eine signifikant geringere Durchschnittsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen sichtbar. Aus der kritischen Anfangsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen wurde die Adhäsionsarbeit errechnet, die für die Bewegung nötig ist. / The process of adhesion of cellulose fibres should be revealed down to a molecular level. Therefore, a well defined cellulose surface was prepared and then characterized. Cellulose was deposited on silicon wafer surfaces via spin coating from a solution of cellulose in dimethylacetamide (including 7% (w/w) lithium chloride). The resulting cellulose layers were analyzed by ellipsometry, AFM, FTIR, ICP-MS, x-ray reflectivity, and contact angle measurements. The texture of the prepared cellulose surfaces depends strongly on the used cellulose solution for spin coating process. For cellulose concentrations below 0.07wt% the wafer surfaces are covered with a network of cellulose fibrils. For concentrations between 0.07 and 0.5 wt%, closed films with thicknesses between 1.5 and ca. 10 nm are obtained. These films are molecularly smooth (rms roughness < 2nm). Higher concentrations result in thicker films with significantly rougher surfaces (rms roughness >2nm). The cellulose layers were used to investigate cellulose/cellulose adhesion and their modification by polyelectrolytes. To this end the sticking behavior of cellulose beads was analyzed. It is demonstrated that the adhesion of the beads depends on the type, amount, and adsorption symmetry of adsorbed polyelectrolyte. Low, incomplete polyelectrolyte coverage always enhances adhesion, whereas for high coverage the symmetry of the polyelectrolyte coating is very important. In this case, adhesion is enhanced if only one surface is covered with polyelectrolyte prior to contact. If both surfaces were fully covered with polyelectrolytes before contact adhesion is decreased. Flexible and cationic polyelectrolytes are the most potent candidates for this usage. <br><br> The influence of an external force on the adhered cellulose beads was investigated to extimate the occurring adhesion forces. A special flow chamber was developed, in order to track the movements of cellulose beads rolling over a flat cellulose film. A constant water stream was applied as external force. The alignment of the flow chamber in reference to lab floor has an considerable influence on the speed of the rolling cellulose beads. If the flow chamber was aligned in the horizontal position, then gravity acts in addition to the adhesion force onto the surface. Thus, here were measured a substantial lower average speed of cellolude beads as it was measured for the vertical alignment of the flow chamber. The influence of gravity on the rolling friction of the cellulose beads could be prooved by modelling the rolling friction to HERTZ’s law and by evaluating statistically the movement vectors of the cellulose beads. As an another result of this findings one can estimate the occurring adhesion forces and energies. <br><br> The addition of different polyelectrolytes to the water stream used in measurements with the flow chamber had a substantial influence on the mobility of adhered cellulose beads. At high concentrations of polyelectrolyte sticked so many beads at the cellulose surface, that it was not possible to interpret the data reasonable. Low concentrations enables the potential of the invidual polyelectrolyte to be a effictive binding agent. Here, a significant lower average speed of cellulose beads rolling over a cellulose surface was observed by all used polyelectrolytes but most by a flexible and cationic one.

Ultrathin, semi-permeable membranes are not only essential in natural systems (membranes of cells or organelles) but they are also important for applications (separation, filtering) in miniaturized devices. <br> Membranes, integrated as diffusion barriers or filters in micron scale devices need to fulfill equivalent requirements as the natural systems, in particular mechanical stability and functionality (e.g. permeability), while being only tens of nm in thickness to allow fast diffusion times. Promising candidates for such membranes are polyelectrolyte multilayers, which were found to be mechanically stable, and variable in functionality.<br> In this thesis two concepts to integrate such membranes in larger scale structures were developed. The first is based on the directed adhesion of polyelectrolyte hollow microcapsules. As a result, arrays of capsules were created. These can be useful for combinatorial chemistry or sensing. This concept was expanded to couple encapsulated living cells to the surface. The second concept is the transfer of flat freestanding multilayer membranes to structured surfaces. We have developed a method that allows us to couple mm2 areas of defect free film with thicknesses down to 50 nm to structured surfaces and to avoid crumpling of the membrane. We could again use this technique to produce arrays of micron size. The freestanding membrane is a diffusion barrier for high molecular weight molecules, while small molecules can pass through the membrane and thus allows us to sense solution properties. We have shown also that osmotic pressures lead to membrane deflection. That could be described quantitatively. / Die Entwicklung von “Labors auf einem Chip” hat in den vergangenen Jahren großes Interesse hervorgerufen. Diese Chips ermöglichen schnelle vor Ort Analytik, wie sie beispielsweise in Arztpraxen oder bei der Schadstoff Überwachung wünschenswert wäre. Die Entwicklung solcher Systeme stellt große Herausforderungen an Forscher verschiedenster Disziplinen. <br> Ein großer Vorteil solcher Systeme sind die verkürzten Reaktionszeiten durch die Verkleinerung der Dimensionen. Membranen, die als Diffusionsbarrieren oder Filter in solche Systeme integriert werden sollen, müssen den Ansprüchen an mechanische Stabilität, Funktionalität (z.B. Permeabilität) bei einer Dicke von einigen 10 nm genügen. Die Reduktion der Membrandicke ist erforderlich um die Diffusionszeiten durch die Membran zu minimieren. Polyelektrolyte sind vielversprechende Kandidaten für solche Membranen, da sie sowohl mechanisch stabil sind, als auch variabel in ihrer Funktionalität In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Integration solcher Membranen vorgestellt. Das erste Konzept basiert auf der selektiven Adhäsion von Polyelektrolytkapseln auf strukturierten Oberflächen. Für das gewählte Kapselsystem konnte bereits eine große Stabilität und eine breite Funktionalität gezeigt werden. Die Strukturierung wird durch Mikrokontaktdrucken erzielt und führt. zu attraktiven und repulsiven Bereichen auf der Oberfläche. Die Kapesladhäsion findet auf den attraktiven Bereichen statt. Auf diese Weise werden die Kapseln 2-dimensional auf der Oberfläche angeordnet. Die definierte laterale Position der Kapseln ermöglicht Anwendungen in der kombinatorischen Chemie oder der Sensorik.<br> Der makroskopische Transfer von bis zu 50 nm dünnen Polyelektrolytmembranen auf microstrukturierte Substrate ist das zweite präsentierte Konzept zur Integration freistehender Membranen. Dabei entsteht ein großflächiger Bereich (mm2) von Millionen von Hohlräumen mit einem Volumen in der Größe von pL (10-12l). Diese Holräume können mit Reagenzien gefüllt werden. Diese reagieren durch die Membran auf Änderungen in der umgebenden Flüssigkeit. Von besonderem Interesse ist der Aspekt, daß nicht nur eingekapselte Reagenzien als Sensormaterial fungieren können, sondern auch durch die Deformation der Membran Änderungen im osmotischen Druck der Umgebung quantitativ erfaßt werden können.