Functional Photonic Gradients in Colloidal Assemblies

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Schöttle, Marius:
Functional Photonic Gradients in Colloidal Assemblies.
Bayreuth , 2023 . - xiii, 193 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007214

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Abstract

This thesis comprises four projects that present new accomplishments in colloid-based materials. The common theme throughout all projects is the realization of superordinate gradients in colloidal crystals and glasses, which provide new ways of making use of the photonic properties. Spherical polymer particles were used as a model system, and the two main parameters altered on a single-particle level were the size and the thermal properties. Complexity in the form of defined gradients was introduced by controlling and adjusting the spatial distribution in mixed systems. This was enabled by a range of new synthesis and self-assembly procedures for size and composition gradients in photonic colloidal assemblies. The focus here lies on establishing new concepts, and while every project concludes with an application, I expect these to be applied in neighboring fields in the future as well.
The first project began with developing a novel coating procedure for lateral composition gradients in mixed colloidal crystals. This was achieved using a dual-syringe pump method, similar to dip-coating, and applying two particle types of the same size. The two particles differed regarding their thermal properties, which resulted in film formation kinetics that depended on the composition of the colloidal mixture. This aspect was studied first on discrete samples with defined mixtures and then transferred to gradient colloidal crystals. Since the film formation entailed a visible loss of structural coloration, this novel type of photonic crystal could be used as a time-temperature integrator with a very simple optical readout.
The second project was a follow-up and also applied mixed colloidal crystals as time-temperature integrators with a more detailed readout. The system's complexity was increased using four different particle types that could co-crystallize. Much faster and automated sample preparation was necessary here. This was made possible by a contact printing procedure that prepared several hundred identical samples comprising colloidal crystal arrays. The samples were characterized in-situ during the film formation with a smartphone camera to showcase the user-friendliness of this system. An artificial neural network could be developed that took pictures of a sample with an unknown thermal history as input and provided both time and temperature independently as output.
The third project also applied the dual syringe pump method for lateral gradients in colloidal assemblies. However, the objective here was not to prepare a sensor but to use the composition gradient as a screening platform. Several binary combinations of particles with different sizes were applied, and the optical properties were shown to depend strongly on the diameter ratio and composition. Gradient samples, coupled with scanning microspectroscopy along the coating direction, provided large data sets. These described the optical properties of bidisperse mixtures over the entire composition range with a high resolution yet required only a few samples. An adjustable photonic stop band, as well as optimum light scattering, could, thereby, be distinguished.
The fourth project in this line of functional photonic gradients also aimed to tailor the optical properties. Here, the gradient was directly used to increase the reflectivity in the visible range. Instead of a lateral composition gradient, the objective was to prepare a thin, particulate film with a continuous particle-size gradient orthogonal to the surface. This required a novel semi-batch synthesis with gradual extraction and a subsequent semi-continuous filtration setup for the particle assembly. When examining the cross section, this revealed a photonic glass film with structural colors spanning the entire visible spectrum. In addition, light reflected from the top surface exhibited adjustable and optimized broadband reflectance.
All of these materials comprise densely packed particles with air in the interstitial spaces. This is an ideal starting point for a range of further projects that either directly make use of the gradient superstructure or apply the established procedures for other types of materials.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit umfasst vier Projekte, die neue Errungenschaften auf dem Gebiet der kolloidalen Materialien vorstellen. Das gemeinsame Thema aller Projekte ist die Realisierung von übergeordneten Gradienten in kolloidalen Kristallen und Gläsern, die neue Möglichkeiten zur Nutzung der photonischen Eigenschaften bieten. Als Modellsystem wurden sphärische Polymerpartikel verwendet, wobei die beiden wichtigsten Parameter, die auf Einzelpartikelebene verändert wurden, die Größe und die thermischen Eigenschaften sind. Komplexität in Form von definierten Gradienten wurde durch die Kontrolle und Anpassung der räumlichen Verteilung in gemischten Systemen eingeführt. Dies wurde durch eine Reihe neuer Synthese- und Selbstorganisationsverfahren für Größen- und Zusammensetzungsgradienten in photonischen kolloidalen systemen ermöglicht. Der Schwerpunkt lag hier auf der Etablierung neuer Konzepte. Jedes Projekt präsentiert am Ende eine mögliche Anwendung, jedoch erwarte ich, dass diese Konzepte in Zukunft auch in benachbarten wissenschaftlichen Bereichen etabliert werden.
Das erste Projekt begann mit der Entwicklung eines neuartigen Beschichtungsverfahrens für laterale Zusammensetzungsgradienten in kolloidalen Mischkristallen. Dazu wurden zwei Partikeltypen gleicher Größe mit einer Methode basierend auf zwei Spritzenpumpen aufgetragen, ähnlich der Tauchbeschichtung. Die beiden Partikel unterschieden sich in ihren thermischen Eigenschaften, was zu einer Filmbildungskinetik führte, die von der Zusammensetzung der kolloidalen Mischung abhing. Dieser Aspekt wurde zunächst an diskreten Proben mit definierten Mischungen untersucht und dann auf kolloidale Gradientenkristalle übertragen. Da die Filmbildung mit einem sichtbaren Verlust der strukturellen Färbung einherging, konnte dieser photonische Kristall als Zeit-Temperatur-Integrator mit einer einfachen optischen Auslesung verwendet werden.
Das zweite Projekt ist ein Folgeprojekt und verwendet kolloidale Mischkristalle als Zeit-Temperatur-Integratoren mit einer detaillierteren Auslesung. Die Komplexität des Systems wurde durch die Verwendung von vier verschiedenen Partikeltypen erhöht, die kokristallisieren können. Hier war eine schnellere und automatisierte Herstellung nötig. Ermöglicht wurde dies durch ein Kontaktdruckverfahren, mit dem mehrere hundert identische Proben aus Matrixfeldern hergestellt wurden. Die Proben wurden während der Filmbildung mit einer Smartphone-Kamera in-situ charakterisiert, um die Benutzerfreundlichkeit dieses Systems zu demonstrieren. Ein künstliches neuronales Netz wurde entwickelt, das Bilder einer Probe mit einer unbekannten thermischen Vorgeschichte als Input nahm und Zeit und Temperatur unabhängig voneinander lieferte.
Im dritten Projekt wurde ebenfalls die Beschichtungsmethode basierend auf zwei Spritzenpumpen für laterale Gradienten in kolloidalen Anordnungen angewandt. Das Ziel war hier jedoch nicht die Herstellung eines Sensors, sondern die Nutzung des Zusammensetzungsgradienten als Plattform für detaillierte Studien. Es wurden mehrere binäre Kombinationen von Partikeln unterschiedlicher Größe verwendet, und es zeigte sich, dass die optischen Eigenschaften stark vom Durchmesserverhältnis und der Zusammensetzung abhängen. Gradientenproben, gekoppelt mit Mikrospektroskopie entlang der Beschichtungsrichtung, lieferten umfangreiche Datensätze. Diese beschrieben die optischen Eigenschaften von bidispersen Mischungen über den gesamten Zusammensetzungsbereich mit hoher Auflösung, wobei nur wenige Proben benötigt wurden. Dabei konnte ein einstellbares photonisches Stoppband sowie optimale Lichtstreuung realisiert werden.
Das vierte Projekt in dieser Reihe funktioneller photonischer Gradienten zielt ebenfalls auf die Anpassung der optischen Eigenschaften ab. Hier wurde der Gradient direkt genutzt, um die Reflektivität im sichtbaren Bereich zu erhöhen. Anstelle eines lateralen Zusammensetzungsgradienten sollte ein dünner Film mit einem kontinuierlichen Partikelgrößengradienten orthogonal zur Oberfläche hergestellt werden. Dies erforderte eine neuartige Semi-Batch-Synthese mit schrittweiser Extraktion und eine anschließende semikontinuierliche Filtration für die Partikelanordnung. Bei der Untersuchung des Querschnitts zeigte sich ein photonisches Glas mit Strukturfarben, die das gesamte sichtbare Spektrum abdecken. Darüber hinaus wies das von der Oberfläche reflektierte Licht eine einstellbare und optimierte Breitbandreflektion auf.
Alle diese Materialien bestehen aus dicht gepackten Partikeln mit Luft in den Poren. Dies ist ein idealer Ausgangspunkt für eine Reihe weiterer Projekte, die entweder den Gradienten direkt nutzen oder die etablierten Verfahren für andere Materialtypen anwenden.