Confinement Assembly

a) Emulgierung einer Polymer/Öl-Phase; b) Verdampfung der Öl-Phase; c) Mikropartikel mit innerer Morphologie
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Die Anordnung von Blockcopolymeren in beengten Räumen (Confinement) hat sich als vielseitige Methode zur Herstellung kompartimenter Mikropartikel erwiesen. Im Fall eines kugelförmigen (3D Confinement) trocknet das Blockcopolymer im Inneren von Emulsionströpfchen ein und bildet feste Mikropartikel mit innerer Struktur. Die Nanostruktur wird durch Mikrophasenseparation und Blockverhältnisse kontrolliert und ihre Ausrichtung durch Grenzflächeneffekte. Wir untersuchen das Confinement Assembly für spezielle Polymerarchitekturen und Polymerchemien, z. B. ABC Triblock Terpolymere, Polymerbürsten, Miktoarm Sternpolymere, biologisch abbaubare oder kristalline Polymere. Wir nutzen ebenfalls das Confinement, um aus ABC Triblock Terpolymeren neuartige Janus Nanopartikel mit ungewöhnlichen Formen zu realisieren, einschließlich Nanoringe, Becher und perforierte Scheiben.

  • Vergleich eines SBM Terpolymers in Bulk und im 3D Confinement
    © A.Gröschel

    Multikompartiment Mikropartikel

    ABC Triblock Terpolymere bilden spontan eine Vielzahl von Nanostrukturen im festen Zustand (Bulk, Dünnfilm) durch Trocknen aus einem guten Lösungsmittel für alle Blöcke. Aufgrund fünf unabhängiger Parameter (zwei Volumenanteile und drei Wechselwirkungsparameter) können diese Morphologien sehr komplex ausfallen. Eine relativ einfache Lamellen-Zylinder-Morphologie von SBM ist der Abbildung dargestellt. Wir untersuchen die Bildung von Terpolymer-Morphologien in sphärischem Confinement in dem die gekrümmte Polymer/Wasser-Grenzfläche zusätzliche Randbedingungen auferlegt, welche die Morphologie in andernfalls schwer zugängliche Strukturen lenkt. Beispielsweise wird die Lamellen-Zylinder-Morphologie an der Grenzfläche so abgelenkt, dass eine axial gestapelte Scheiben-Ring-Morphologie entsteht. Kolloidale Ringe oder Toroide sind eine vergleichsweise seltene Form in der Selbstassemblierung, zeigen aber interessante physikalische Eigenschaften.

  • Mikropartikel aus SBM Terpolymer emulgiert mit 0,6 µm SPG Membran
    © A.Gröschel

    Shirasu Porous Glass (SPG) Membrane

    Eine moderne Methode der Emulgierung erfolgt über Hochdruckhomogenisierung durch poröse Glasmembrane. Hierbei wird die Polymer/Öl Phase durch eine SPG Membran mit Druck in die wässrige Tensid-Phase gepresst. Dabei entstehen Mikropartikel mit äußerst geringer Dispersität und einstellbarere Größe von 0.2 µm - 5 µm (je nach verwendeter Membran).

  • Janus Nanoscheiben mit konstanter Dicke (ca. 50 nm) und unterschiedlichem Durchmesser von 0,19, 0,41 und 1,13 µm
    © Wiley 2021

    Janus Nanopartikel mit geringer Größendispersität

    Janus Nanopartikel haben zwei Gesichter mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften was spezielle Synthesemethoden erfordert. Während ABC Triblock Terpolymere intrinsisch asymmetrisch sind und zur Bildung polymerer Janus-Nanopartikel verwendet wurden, erfordert beispielsweise die Herstellung von Janus Nanoscheiben aus vernetzten Lamellen-Lamellen-Morphologien eine Ultraschallbehandlung, um größere 2D Sheets mechanisch in kleinere Fragmente zu zerreißen. Diese Fragmente haben zwar eine identische Dicke (Kettenlänge der Polymere), können jedoch unregelmäßig geformt sein und eine breite Größenverteilung aufweisen. Die Kombination aus Mikrophasenseparation und SPG-Membranemulgierung führt letztendlich zu Janus Nanoscheiben mit einstellbarer Größe. Wie in der nebenstehenden Abbildung in REM- und AFM-Analysen gezeigt, engt die SPG-Membran die Größenverteilung erheblich ein, während gleichzeitig das Aspektverhältnis der Scheiben (Durchmesser/Dicke) einfach durch Membranen unterschiedlicher Porengröße von 0,3 µm, 0,8 µm und 2,0 µm gesteuert werden kann. Die Dicke bleibt sehr ähnlich (55nm-60nm), wohingegen der durchschnittliche Durchmesser von 0,19 auf 0,41 und weiter zu 1,13 µm ansteigt. Wir untersuchen derzeit Janus nanoscheiben hinsichtlich ihrer nanomechanischen Eigenschaften, Diffusionsverhalten und Grenzflächeneigenschaften.