Gradient topographies and functional gradient materials

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Schedl, Andreas:
Gradient topographies and functional gradient materials.
Bayreuth , 2019 . - XIV, 189 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004928

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Abstract

This thesis focuses on the preparation, characterization and application of gradient topographies and gradient functional materials. For that, polydimethylsiloxane elastomers are surface-modified in different manners by three methods controlled wrinkling, formation of surface relief gratings, and preparation of responsive photonic crystals.
The motivation for the work arises from nature. Nature utilizes well-defined hierarchical structures and gradients to create functional materials with advanced surface topography and tailored mechanical properties. Examples for tailored surface topographies are colorful butterfly wings and shark skin with improved hydrodynamics. Examples for responsive functional surfaces are the impressive skin color variations of chameleons and the brilliant appearance of tropical fishes, both based on photonic crystals. Improved mechanical properties can be found for example in the sea mussel. The byssus reveals a stiffness gradient which allows an improved connection of the soft interior of the mussel to a hard surface of a rock. The natural concepts of these functional materials and surfaces can be transferred to technical systems.
In this context, the introduction gives a brief overview about tailored materials and surfaces in nature and their corresponding functionalities. Furthermore, methods to artificially prepare surface topographies and functionalities are presented with respect to the state of the art. The first method is controlled wrinkling which is a comparatively simple technique to form surface patterns. The principle is based on a hard surface film which is attached to a soft elastomer substrate. Compression of such a composite material leads to the formation of wrinkled patterns. Hereby, the wavelength can be tuned via the Young’s moduli and Poisson ratios of film and substrate, respectively, as well as the thickness of the hard film. The second method is the inscription of surface relief gratings in azobenzene films utilizing a holographic technique. This technique allows the inscription of gratings with a sinusoidal wave pattern. The third approach utilizes photonic crystals. These materials reveal a photonic band gap and decouple a certain wavelength upon illumination with visible light.
This cumulative thesis consists of five topics which result in five publications. An overview of the thesis as well as a summary of the major achievements is presented in a synopsis.
The first and the second topic focus on the formation of gradient surfaces via controlled wrinkling. In the first topic, the formation of such gradient surfaces is based on a continuous gradient in the Young’s modulus of the polydimethylsiloxane elastomer substrate. Embedding of such a stiffness gradient material in a matrix allows the systematic formation and investigation of hierarchical line-defects at the interface. The investigations on these line-defects and the developed prevention strategy contribute essentially to the fundamental understanding of controlled wrinkling.
The second topic covers the formation of gradient surfaces via controlled wrinkling by variation of the thickness of the hard film. For that, thin metal films with a gradient in film thickness were deposited on polydimethylsiloxane substrates using a combinatorial vapor deposition technique. Gold, chromium, and indium were investigated with respect to wrinkling behavior and surface morphology. The developed technique is a powerful approach to efficiently screen metal wrinkles with respect to their wavelengths on one substrate.
The third and the fourth topic cover the preparation of functional materials with sinusoidal surfaces via surface relief gratings. These gratings were inscribed optically in azobenzene films with a holographic technique. The third topic demonstrates the non-destructive grating transfer to polydimethylsiloxane and two thermoplastic polymers. Replicas with surface relief gratings with varying grating height were used as confinement templates for the alignment of nanoparticles. This represents a very elegant and efficient technique to screen the assembly of colloidal nanoobjects.
The fourth topic presents a novel technique to determine the refractive-index from transparent solids based on surface relief gratings. The principle is based on the angle-dependent investigation of the first and second order diffraction of monochromatic light on these gratings. The presented technique is a powerful alternative to refractive-index determination via an Abbe refractometer or spectral ellipsometry.
The fifth topic focuses on the preparation of gradient photonic materials inspired by the chameleon skin. These materials consist of a one-dimensional photonic crystal which is attached on top of a polydimethylsiloxane elastomer substrate with a gradient in stiffness. Unstrained samples reveal a uniform reflectance over the entire surface of the photonic crystal. Upon strain, a blueshift with a gradient in reflectance occurs. The reflectance pattern can be controlled by tailoring the architecture of the polydimethylsiloxane substrate. This is demonstrated for rainbow-like and stripe-like reflectance patterns. The presented gradient photonic materials are models for the development of nature-inspired mechanochromic sensors.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von Gradiententopografien und funktionellen Gradientenmaterialien. Dazu werden Polydimethylsiloxan-Elastomere auf unterschiedliche Weise durch die drei Methoden kontrollierte Faltenbildung, Präparation von Oberflächenreliefgittern und Herstellung ansprechender photonischer Kristalle oberflächenmodifiziert.
Die Motivation für diese Arbeit kommt aus der Natur. Die Natur nutzt wohldefinierte hierarchische Strukturen und Gradienten, um funktionale Materialien mit hochentwickelter Oberflächentopographie und maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Beispiele für maßgeschneiderte Oberflächentopografien sind brillant schimmernde Schmetterlingsflügel sowie Haifischhaut, die eine verbesserte Hydrodynamik aufweist. Beispiele für responsive funktionelle Oberflächen sind die eindrucksvolle Farbvariation der Haut von Chamäleons und das brillante Erscheinungsbild tropischer Fische, die beide auf photonischen Kristallen basieren. Ein Beispiel für eine gezielte Optimierung der mechanischen Eigenschaften sind marine Muscheln. Der Byssus weist einen Steifigkeitsgradienten auf, der eine optimierte Anbindung des weichen Inneren der Muschel an die harte Oberfläche eines Felsens ermöglicht. Die natürlichen Konzepte dieser Funktionsmaterialien und Oberflächenstrukturen können auf technische Systeme übertragen werden.
In diesem Zusammenhang gibt die Einführung einen kurzen Überblick über maßgeschneiderte Materialien und Oberflächen in der Natur und deren entsprechende Funktionalitäten. Darüber hinaus werden Methoden zur künstlichen Erstellung von Oberflächentopografien und -funktionalitäten zum Stand der Technik vorgestellt. Die erste Methode ist die kontrollierte Faltenbildung – eine vergleichsweise einfache Technik zur Strukturierung von Oberflächen. Das Prinzip basiert auf einem harten Film, der auf die Oberfläche eines weichen Elastomersubstrats aufgebracht wird. Durch Kompression eines solchen Verbundmaterials werden Faltenmuster gebildet. Die Wellenlänge kann über die Elastizitätsmoduln und Poisson-Verhältnisse von Film bzw. Substrat sowie die Dicke des harten Films eingestellt werden. Die zweite Methode ist das Einschreiben von Oberflächenreliefgittern in Azobenzolfilme unter Verwendung einer holographischen Technik. Diese Technik ermöglicht das Einschreiben von Gittern mit sinusartigem Wellenmuster. Der dritte Ansatz verwendet photonische Kristalle. Diese Materialien weisen eine photonische Bandlücke auf und reflektieren Licht einer bestimmten Wellenlänge.
Diese kumulative Dissertation beinhaltet fünf Themen, die als Resultat fünf Publikationen hervorbrachten. Ein Überblick über die Arbeit sowie eine Zusammenfassung der wichtigsten Leistungen ist in einer Synopse dargestellt.
Das erste und zweite Thema befasst sich mit der Bildung von Gradientenoberflächen mittels kontrollierter Faltenbildung. Im ersten Thema basiert die Bildung solcher Gradientenoberflächen auf einem kontinuierlichen Gradienten im Elastizitätsmodul des elastischen Substrats. Das Einbetten eines solchen Steifigkeitsgradientenmaterials in eine Matrix ermöglicht die systematische Bildung und Untersuchung von hierarchischen Liniendefekten an der Grenzfläche. Die Untersuchungen zu diesen Linienfehlern und die entwickelte Strategie zur Vermeidung dieser Defekte tragen wesentlich zum grundlegenden Verständnis der kontrollierten Faltenbildung bei.
Das zweite Thema befasst sich mit der kontrollierten Faltenbildung von Gradientenoberflächen durch Variation der Dicke des harten Films. Zu diesem Zweck wurden dünne Metallfilme mit einem Gradienten in der Filmdicke mittels einer kombinatorischen Aufdampftechnik auf elastischen Substraten aufgebracht. Gold, Chrom und Indium wurden im Hinblick auf die Faltenbildung und die Oberflächenmorphologie untersucht. Die entwickelte Technik ist ein leistungsstarker Ansatz, um Metallfalten in Bezug auf die ausgebildeten Wellenlängen auf einem Substrat effizient zu screenen.
Das dritte und vierte Thema befasst sich mit der Herstellung funktioneller Materialien mit sinusförmigen Oberflächenstrukturen auf Basis von Oberflächenreliefgittern. Diese Gitter wurden mit einer holographischen Technik in Azobenzolfilme optisch eingeschrieben. Das dritte Thema behandelt die zerstörungsfreie Übertragung von Gittern auf Polydimethylsiloxan und zwei thermoplastische Polymere. Repliken von Oberflächenreliefgittern mit einer Variation in der Gitterhöhe wurden zudem als Template für die Anordnung von Nanopartikeln verwendet. Dies ist eine sehr elegante und effiziente Technik zum Screening der Anordnung kolloidaler Nanoobjekte.
Das vierte Thema repräsentiert eine neuartige Technik zur Bestimmung des Brechungsindex von transparenten Festkörpern mit Hilfe von Oberflächenreliefgittern. Das Prinzip basiert auf der winkelabhängigen Untersuchung der Beugung monochromatischen Lichts erster und zweiter Ordnung an diesen Gittern. Die vorgestellte Technik ist eine leistungsstarke Alternative zur Brechungsindexbestimmung via Abbe-Refraktometer oder Spektralellipsometer.
Das fünfte Thema befasst sich mit der Herstellung von photonischen Gradientenmaterialien, die von der Chamäleonhaut inspiriert sind. Diese Materialien bestehen aus einem eindimensionalen photonischen Kristall, der auf einem Polydimethylsiloxan-Elastomer mit einem Steifigkeitsgradienten aufgebracht ist. Ungedehnte Proben zeigen eine gleichmäßige Reflektivität über die gesamte Oberfläche des photonischen Kristalls. Bei Verformung erfolgt eine Blauverschiebung mit einem Gradienten in der Reflektivität. Das Reflexionsmuster kann durch Anpassen der Architektur des Polydimethylsiloxansubstrats gesteuert werden. Dies wird für regenbogenartige und streifenartige Reflexionsmuster demonstriert. Die vorgestellten photonischen Gradientenmaterialien sind Modelle für die Entwicklung von bioinspirierten mechanochromen Sensoren.