Smart Hybrid Materials With Tailored Functions: Incorporation of Gold Nanoparticles Into Stimuli-Responsive Polymer Brushes

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Verteilung von Gold-Nanopartikeln (AuNPs) in stimuli-sensitiven Polymerbürsten, die an planare Oberflächen gebunden sind. Die Farbänderung solcher Bürsten/AuNP Hybride hängt von der Partikelbeladung und deren Abstand zueinander ab. Folglich, eine Kontrolle der Partikelverteilung in der Bürste ermöglicht eine Steuerung der Farbe des Hybrids für Anwendungen in der Sensorik. Wie in dieser Arbeit dargelegt, wird die AuNP Verteilung durch viele Faktoren wie Bürstendicke, Ankerdichte, Polymerstruktur, Oberflächenfunktionalisierung der Partikel, Partikelgrösse sowie Partikelform beeinflusst. Oberflächengebundene poly((N,N-dimethylamino ethyl)methacrylat) (PDMAEMA) and poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) Bürsten wurden mittels "Atom transfer radical polymerization" (ATRP) synthetisiert; die Beladung mit AuNPs erfolgte durch einen Inkubationsprozess. Beide Polymere weisen eine untere kritische Mischungstemperatur (LCST) auf, oberhalb derer die Polymerketten reversibles Schrumpfen zeigen. In dieser Dissertation werden X-ray und Neutronenreflektometrie, UV/vis Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Ellipsometrie kombiniert, um die Partikelverteilung und die optischen Eigenschaften der Hybride zu untersuchen. Nach Verringern der Ankerdichte konnten Beladungsdichte und Eindringung der Partikel erhöht werden. Wenn PNIPAM als Bürstenmatrix genutzt wurde, konnte die Effizienz der Partikeleindringung für hohe Ankerdichten erhöht werden. Farbänderungen der PNIPAM/AuNP Hybride konnten einerseits durch Variieren der Temperatur, als auch durch Erhöhen des Salzgehaltes hervorgerufen werden; Struktur und Farbänderung von PNIPAM/AuNP hingen stark vom verwendeten Salz ab. Des Weiteren konnte die Partikelverteilung kontrolliert werden, indem zwei Arten an AuNPs in die PNIPAM-Bürste immobilisiert wurden, citratstabilisierte AuNPs, sowie AuNPs funktionalisiert mit 12-Mercaptododecansäure Liganden. Die Farbänderung, die durch das thermisch hervorgerufene Schrumpfen der PNIPAM-Bürsten induziert wurde, hing von der Art der immobilisierten Partikel ab. Abschliessend wurden Oberflächengradienten in Ankerdichte und Quaternisierungsgrad verwendet, um die dominierenden Faktoren der Verteilung anisotropischer Gold-Nanostäbe in PDMAEMA-Bürsten zu untersuchen