Techn. Universiẗat, Diss.--Hamburg-Harburg, 2000.

Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Gemäß der Zielstellung der Dissertation wurden verschiedene partiell tert.-Butyl- (TBU) und tert.-Butyloxycarbonyl- (Boc) geschützte Blockcopolymere auf der Basis von Poly(4-hydroxystyrol) mit engen Molmassenverteilungen sowie mit verschiedenen Blockzusammensetzungen dargestellt. Die Synthese dieser partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymere umfasste drei wesentliche Schritte: 1) Darstellung von Makroinitiatoren mittels NMRP, 2) Synthese von orthogonal geschützten Precursor-Blockcopolymeren durch Reinitiierung der Makroinitiatoren in Gegenwart eines weiteren orthogonal geschützten Monomeren und 3) orthogonale und quantitative polymeranaloge Umsetzungen ausgehend von den orthogonal geschützten Precursor-Blockcopolymeren. Mit den partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymeren wurden dünne Polymerfilme mittels „dip-coating“ präpariert. Die Untersuchung der Topographie und Morphologie der Filme erfolgte mit dem AFM. Aus den erhaltenen Topographie- und Phasenverschiebungsbildern ging eindeutig hervor, dass die verschiedenen Blöcke der jeweiligen partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymere in allen Polymerfilmen phasensepariert vorlagen. Reguläre Mikrostrukturen konnten allerdings nur bei den Polymerfilmen erhalten werden, deren Blockcopolymere sich allesamt durch asymmetrische Blockzusammensetzungen auszeichnen. Auf der Grundlage des statistischen Modellpolymeren Poly(styrol-r-4-hydroxystyrol) konnte ferner gezeigt werden, dass sich die phenolischen Hydroxylgruppen durch die Umsetzung mit Propargylbromid quantitativ in Propargylether-Gruppen umwandeln lassen und diese dann ihrerseits mit Hilfe der Cu(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Cycloaddition (Click-Chemie) weiter mit einer Reihe von verschiedenen Aziden funktionalisiert werden können.

Gemäß der Zielstellung der Dissertation wurden verschiedene partiell tert.-Butyl- (TBU) und tert.-Butyloxycarbonyl- (Boc) geschützte Blockcopolymere auf der Basis von Poly(4-hydroxystyrol) mit engen Molmassenverteilungen sowie mit verschiedenen Blockzusammensetzungen dargestellt. Die Synthese dieser partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymere umfasste drei wesentliche Schritte: 1) Darstellung von Makroinitiatoren mittels NMRP, 2) Synthese von orthogonal geschützten Precursor-Blockcopolymeren durch Reinitiierung der Makroinitiatoren in Gegenwart eines weiteren orthogonal geschützten Monomeren und 3) orthogonale und quantitative polymeranaloge Umsetzungen ausgehend von den orthogonal geschützten Precursor-Blockcopolymeren. Mit den partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymeren wurden dünne Polymerfilme mittels „dip-coating“ präpariert. Die Untersuchung der Topographie und Morphologie der Filme erfolgte mit dem AFM. Aus den erhaltenen Topographie- und Phasenverschiebungsbildern ging eindeutig hervor, dass die verschiedenen Blöcke der jeweiligen partiell TBU- und Boc-geschützten Blockcopolymere in allen Polymerfilmen phasensepariert vorlagen. Reguläre Mikrostrukturen konnten allerdings nur bei den Polymerfilmen erhalten werden, deren Blockcopolymere sich allesamt durch asymmetrische Blockzusammensetzungen auszeichnen. Auf der Grundlage des statistischen Modellpolymeren Poly(styrol-r-4-hydroxystyrol) konnte ferner gezeigt werden, dass sich die phenolischen Hydroxylgruppen durch die Umsetzung mit Propargylbromid quantitativ in Propargylether-Gruppen umwandeln lassen und diese dann ihrerseits mit Hilfe der Cu(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Cycloaddition (Click-Chemie) weiter mit einer Reihe von verschiedenen Aziden funktionalisiert werden können.

A novel strategy for fabrication of responsive functional polymer films is based on grafting of several different functional polymers onto a solid substrate at high grafting density, resulting in varied types of polymer brushes. Such an arrangement suggests many interesting applications of the multicomponent polymer brushes, regarding their versatile adaptive surfaces, capable for responding to changes of solvent polarity, pH, temperature, electromagnetic field and other stimuli, generally by reversible swelling. Mixed amphiphilic polystyrene-poly(2-vynil pyridine) (PS-P2VP) brushes are an example for responsive class of smart materials, which can switch between hydrophilic and hydrophobic energetic state upon changes in the quality of surrounding media. The switching of wettability was found to operate in a broad range and was selectively controlled in organic solvents and in aqueous solutions. Another example for an adaptive/switching behavior is addressed to a polymer brush with a remarkable response to the pH and the ionic strength variations of the aqueous solutions. Combination of weak polyacrylic acid, PAA, and weak polybase, P2VP, in the anchored layer allowed one with a small shift of the pH, to obtain a significant effect on the surface and the interfacial properties of the material. Both type of polymer brushes were examined as adsorbing materials for nanoparticles and charged synthetic- and bio-macromolecules. Their adaptive properties were successively linked to the results of the adsorption experiments. The simplest case was adsorption of nano-particles, functionalised with strong ionic groups, onto binary, PAA-P2VP, polyelectrolyte brushes. Maintaining a constant charge density of the adsorbing component (strong polyelectrolyte effect), allowed one to cause and manipulate a privileged swelling of one of the weak polyelectrolyte brush layers, without affecting the adsorbate properties, and to regulate the thickness of adsorbed layer only by the pH signal. In the case of adsorption of macromolecules with tuneable electrical charge (polyampholytes and proteins), the system became more complicated, regarding their environmentally responsive properties, similar to that exhibited by the polymer brushes. The driving forces were regulated by the switching performance of the brush, simply by adjusting the pH and/or ionic strength conditions. The adsorbed amount and morphological changes of polyampholyte layers were investigated as function of pH and was performed on mixed amphiphilic and binary polyelectrolyte brushes. A special emphasis was set on the binary brush capability to take the control over the interfacial performance of attaching proteins. It was found, that the sharp environmental response of the adsorbent (the polymer brush) strongly influences the morphology of adsorbed protein layers, their thickness and properties. Changing the polarity of the substrate allowed one to regulate the adsorption processes qualitatively and quantitatively. The significant aggregation of protein molecules on PS-P2VP brush and their disassembly on PAA-P2VP brush at the same solvent conditions, we devote to the hydrophobic-hydrophilic transition, occurred at the surface by replacing PS with PAA. The protein aggregates, monitored on the surface of PS-P2VP, sufficiently decrease their size, when switching the brush energetic state from hydrophobic to hydrophilic by adjusting the pH of the media. This effect was found to be well controlled by the brush switching phenomenon in hydrophilic-hydrophobic direction and vice versa. In conclusion, we showed how the structural reorganization in thin polymer brush layers of different type may dramatically affect their surface properties. The adaptive behavior in response of external stimuli was found to be a basis for highly specific interactions, depending on geometric factors, conformational state and environment.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

A novel strategy for fabrication of responsive functional polymer films is based on grafting of several different functional polymers onto a solid substrate at high grafting density, resulting in varied types of polymer brushes. Such an arrangement suggests many interesting applications of the multicomponent polymer brushes, regarding their versatile adaptive surfaces, capable for responding to changes of solvent polarity, pH, temperature, electromagnetic field and other stimuli, generally by reversible swelling. Mixed amphiphilic polystyrene-poly(2-vynil pyridine) (PS-P2VP) brushes are an example for responsive class of smart materials, which can switch between hydrophilic and hydrophobic energetic state upon changes in the quality of surrounding media. The switching of wettability was found to operate in a broad range and was selectively controlled in organic solvents and in aqueous solutions. Another example for an adaptive/switching behavior is addressed to a polymer brush with a remarkable response to the pH and the ionic strength variations of the aqueous solutions. Combination of weak polyacrylic acid, PAA, and weak polybase, P2VP, in the anchored layer allowed one with a small shift of the pH, to obtain a significant effect on the surface and the interfacial properties of the material. Both type of polymer brushes were examined as adsorbing materials for nanoparticles and charged synthetic- and bio-macromolecules. Their adaptive properties were successively linked to the results of the adsorption experiments. The simplest case was adsorption of nano-particles, functionalised with strong ionic groups, onto binary, PAA-P2VP, polyelectrolyte brushes. Maintaining a constant charge density of the adsorbing component (strong polyelectrolyte effect), allowed one to cause and manipulate a privileged swelling of one of the weak polyelectrolyte brush layers, without affecting the adsorbate properties, and to regulate the thickness of adsorbed layer only by the pH signal. In the case of adsorption of macromolecules with tuneable electrical charge (polyampholytes and proteins), the system became more complicated, regarding their environmentally responsive properties, similar to that exhibited by the polymer brushes. The driving forces were regulated by the switching performance of the brush, simply by adjusting the pH and/or ionic strength conditions. The adsorbed amount and morphological changes of polyampholyte layers were investigated as function of pH and was performed on mixed amphiphilic and binary polyelectrolyte brushes. A special emphasis was set on the binary brush capability to take the control over the interfacial performance of attaching proteins. It was found, that the sharp environmental response of the adsorbent (the polymer brush) strongly influences the morphology of adsorbed protein layers, their thickness and properties. Changing the polarity of the substrate allowed one to regulate the adsorption processes qualitatively and quantitatively. The significant aggregation of protein molecules on PS-P2VP brush and their disassembly on PAA-P2VP brush at the same solvent conditions, we devote to the hydrophobic-hydrophilic transition, occurred at the surface by replacing PS with PAA. The protein aggregates, monitored on the surface of PS-P2VP, sufficiently decrease their size, when switching the brush energetic state from hydrophobic to hydrophilic by adjusting the pH of the media. This effect was found to be well controlled by the brush switching phenomenon in hydrophilic-hydrophobic direction and vice versa. In conclusion, we showed how the structural reorganization in thin polymer brush layers of different type may dramatically affect their surface properties. The adaptive behavior in response of external stimuli was found to be a basis for highly specific interactions, depending on geometric factors, conformational state and environment.

Um Proteine und Peptide ohne Verluste in der Trennleistung mit Hilfe der Kapillarelektrophorese zu analysieren, wurde der Innenkanal von fused silica Kapillaren mit 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) nach dem Prinzip der radikalischen Atomtransferpolymerisation beschichtet. Durch die Variation einiger Reaktionsparameter konnten dabei vier HEMA-Beschichtungen erhalten werden. Mit diesen wurden dann nach den Methoden der Kapillarzonenelektrophorese bei pH 3 und pH 9 und der isoelektrischen Fokussierung Vergleichsmessungen durchgeführt. Die Detektion erfolgte dabei teilweise mit einem Elektrosprayionisations-Flugzeit-Massenspektrometer. Es stellte sich heraus, dass sich die entwickelten Kapillarbeschichtungen im Bezug auf Trenneffizienz wie auch Stabilität im basischen Bereich teilweise stark voneinander unterschieden. Die Betrachtung der Polymerschichten mit Hilfe der Atomkraftmikroskopie zeigte, dass die Morphologie der HEMA-Beschichtung stark vom gewählten Reaktionsmedium abhängig ist.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and in a second step the chemical surface polymerisation of the monomer is performed. This deposition method was combined with new patterning techniques. The basis of this process is the patterned application of the adhesion promoter which was realised either by a photoresist lacquer mask or by micro contact printing of the adhesion promoter solution. These methods provide patterning down to submicrometer scale. The sensing properties of the polythiophene films were demonstrated with chemiresistors for the redox active gases NO2 and NH3. The reaction kinetics were investigated depending on humidity and temperature. / Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen Ladung und der reaktionsbedingten Masseänderung die ausgetauschte molare Masse und die inkorporierte Ionenmenge bestimmt. Die ausgetauschte molare Masse ergab für die unterschiedlichen Ionenspezies typische Werte, was eine Identifizierung der jeweiligen Analyten erlaubt. Die berechnete Analytmenge belegte eine erhöhte Empfindlichkeit für das in der Polymerisation verwendete Anion (Perchlorat) und eine geringe Empfindlichkeit für große Anionen (Toluolsulfonat) Für dünne, weniger poröse Filme war das Austauschverhältnis von Anion und Lösungsmittel annähernd proportional zu den Molekülgrößen der beteiligten Spezies. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur oxidativ?chemischen Abscheidung von Polythiophenfilmen unter Nutzung haftvermittelnder Substanzen. Dafür wurde die Filmqualität experimentell optimiert und Methoden zur strukturierten Abscheidung entwickelt. Zur Strukturierung der Polymerfilme wurden Methoden zur lokalen Aufbringung des Haftvermittlers auf Basis einer Maskierung des Substrates mit photostrukturierbaren Lackmasken bzw. auf Basis des Mikrokontaktdruckes der Haftvermittlerlösung entwickelt. Mit der Maskentechnik konnten Strukturen im Submikrometerbereich, mit dem Mikrokontaktdruck im Mikrometerbereich, erzielt werden. Der Nachweis der Sensitivität der chemisch polymerisierten Polythiophenfilme wurde für redoxaktive Gase mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren erbracht, und die Reaktionskinetik in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur untersucht.