Direct Measurements of Polyelectrolyte Brush Responses using Atomic Force and Optical Microscopy

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Erath, Johann:
Direct Measurements of Polyelectrolyte Brush Responses using Atomic Force and Optical Microscopy.
Bayreuth , 2014 . - 275 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In this thesis, so-called ”polyelectrolyte brushes” are addressed. The focus is on the investigation and understanding of the response properties of these polymer surfaces. For that purpose new methods are developed which combine force spectroscopy and optical microscopy. As well, established physico-chemical techniques are used.

Polymer brushes provide an excellent building block for responsive surfaces. Surface properties that can be triggered are for example adhesion, charge, friction, stiffness,optical properties, porosity, or biocompatibility. This can be obtained by changing the environment, and by external stimuli. For this reason, such systems are ideal for the rational design of sensors and actuators.

This thesis bridges from fundamental polymer chemistry (chemistry of polymer brushes) over physics (contact mechanics, adhesion, and polymer physics) to
potential applications (sensors and actuators). Scientific input has been provided for the research on polymer brushes, mechanoresponsive systems, force sensing, and active materials, as well as contact mechanics, colloidal arrangement, and (bio) adhesion.

In particular, the soft colloidal probe (SCP) force spectroscopy has been developed. This technique improves massively the sensitivity for the investigation of adhesion energy of soft surfaces. Also, this method has been used to investigate the pressure sensitivity of mechanoresponsive surfaces that have been developed in this work. This mechanoresponsive polymer layers change their optical properties as a function of applied pressure. This allows to detect stress distributions with high spatial and high stress resolution. In addition, these surfaces have been used to study bioinspired adhesion (Gecko adhesion).
Finally, responsive polymer brush systems are characterized with regard to their structure -property relationships. Interaction and mechanical properties have been characterized and physical models have been developed to describe the observed phenomena. For these responsive polymer layers potential applications are presented.

Abstract in weiterer Sprache

In dieser Arbeit werden sogenannte „geladene Polymerbürsten” untersucht. Dabei liegt der Fokus auf der Untersuchung und dem Verständnis der schaltbaren Eigenschaften dieser Polymer Oberflächen. Dazu werden sowohl neue Methoden aus Kombination von Raster-Kraft-Mikroskopie und optischer Mikroskopie eingeführt, sowie bereits etablierte physikalisch-chemische Techniken verwendet.

Polymerbürsten erweisen sich als exzellente Bausteine für schaltbare Oberflächen. Es lassen sich Oberflächeneigenschaften wie Adhäsion, Ladung, Reibung, Mechanik, optische Eigenschaften, Porosität oder Biokompatibilität schalten. Dieses Schalten kann durch Veränderung der Umgebung und durch externe Stimuli ausgelöst werden. Damit eignen sich solche Systeme ideal, um Sensoren bzw. Aktuatoren aufzubauen.

In dieser Arbeit wird eine Brücke von der Polymer Chemie (Chemie der Polymerbürsten) über die Physik von responsiven Oberflächen (Kontaktmechanik, Adhäsion und Polymerphysik) zur potentiellen Anwendung (Sensoren und Aktuatoren) geschlagen. Dabei werden wissenschaftliche Beiträge zur Forschung an Polymer Bürsten, mechanoresponsiven und aktiven Materialien, Krafterkennung und Kontaktmechanik, kolloidaler Anordnung und (Bio-) Haftung geleistet.

Insbesondere ist die kolloidale Kraft-Spektroskopie mit weichen Partikeln (engl. Soft colloidal probe: SCP) entwickelt worden, welche durch ihre hohe Sensitivität die Untersuchung von Adhäsionsenergie weicher Oberflächen massiv verbessert. Diese Methode wird zur Untersuchung der Druckempfindlichkeit mechanoresponsiver Oberflächen angewendet, welche in dieser Arbeit entwickelt wurden. Diese druckempfindlichen Polymerschichten ändern ihre optischen Eigenschaften als Funktion der angelegten Kraft. Das ermöglicht Spannungsverteilungen mit hoher lateraler Auflösung und hoher Druckempfindlichkeit zu detektieren. Darüber hinaus werden diese Oberflächen zur Untersuchung bioinspirierter Adhäsion (Gecko-Adhäsion) eingesetzt.
Schließlich werden weitere responsive Polymer Bürsten Systeme hinsichtlich Ihrer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersucht. Dabei werden Wechselwirkungs- und Mechanische Eigenschaften der Systeme charakterisieren und physikalische Modellvorstellungen zur Beschreibung der beobachteten Phänomene entwickeln. Für diese responsiven Polymerschichten werden potentielle Anwendungen dargelegt.