Emmy Noether-Programm

Programmierbare Aggregation funktioneller 2D/3D Nanopartikelgitter
Die kontrollierte Aggregation von Nanopartikelgittern im Bereich von 50-500 nm bleibt anspruchsvoll. Es fehlt an Bausteinen im Nanobereich mit geringer Größendispersität und hoher Auflösung gerichteter Wechselwirkungsmuster, um Nanopartikelgitter mit weitreichender Anordnung zu produzieren. Dieses Emmy Noether Projekt vereint Konzepte der Blockcopolymer-Synthese, der supramolekularen Selbstassemblierung und der suprakolloidalen Clusterbildung, um offene Nanopartikelgitter mit klar definierter Symmetrie zu schaffen. Das ultimative Ziel ist die spontane Bildung eines Diamant-Nanopartikelgitters mit vielversprechenden photonischen Eigenschaften.
Um diese Ziele zu erreichen, synthetisieren wir ABC Triblock Terpolymere mit geeigneter Zusammensetzung, die sich direkt in die Anzahl an Patches übersetzen. Diese Patches sind nicht mit dem Kern kompatibel und ordnen sich in geometrisch auf der Nanopartikeloberfläche an. Diese Geometrie steuert die Richtung der Aggregation, was zu Nanopartikelgittern mit definierten Symmetrien führen soll.

  • Photonische Kristalle

    Photonische Kristalle finden sich Vielfach in der Natur wieder (Muschelschalen, Vogelfedern, Pollia-Frucht, usw.), wobei das eingängigste Beispiel wahrscheinlich Opale sind. Opale sind natürliche Edelsteine und bestehen aus Kieselsäure-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 200-400 nm angeordnet zu einem regulären Gitter. Opale zeigen ein lebendiges Farbenspiel und sind umso transparenter je weniger defekte im Kristallgitter vorhanden sind (siehe Foto eines Edelsteins aus Cairns, Australien). Der wechselnde Brechungsindex zwischen Luft und Kieselsäure bewirkt eine Modulation des Lichts im sichtbaren Wellenlängenbereich und daher Reflexion definierter Wellenlängen und Farben. Da strukturelle (physikalische) Farben ein Ergebnis der Nanoarchitektur sind, verblassen sie nie anders als beispielsweise organische Farbstoffe (Photobleichen). Blockcopolymere haben gezeigt, dass Strukturfarben durch geordnete Morphologien, in der Regel Lamellenmorphologien, erzeugt werden können. Um Gitterparameter von 200-400 nm zu erreichen und den Raum auszufüllen, sind entweder sehr hohe Molekulargewichte erforderlich oder spezielle voluminöse Polymerarchitekturen (z.B. Polymerbürsten). Zusätzlich können anorganische Materialien in ausgewählten Domänen mineralisiert werden, um den vergleichsweise geringen optischen Kontrastunterschied von Polymeren zu verbessern (Brechungsindizes typischerweise n = 1,3-1,7).

  • Photonische Flüssigkeiten

    In unserem Artikel "Block Copolymer Micelles for Photonic Fluids and Crystals" beschreiben wir die Selbstassemblierung von Blockcopolymeren zu sphärischen Blockcopolymer-Mizellen mit stark gestreckter Korona, aber sehr enger Größenverteilung. Diese Mizellen dienen als Bausteine zur Bildung repsonsiver und reversibler photonischer Flüssigkeiten und photonischer Kristalle. In Form von konzentrierten Gelen (4wt.-%) zeigen die Blockcopolymer-Mizellen zunächst eine leicht bläuliche Färbung mit zwischenpartikulären Abständen von ca. 150 nm. Dieser Abstand wird durch elektrosterische Abstoßung der hochgeladenen und gestreckten Korona definiert. Bei Verdünnung auf < 2wt.% wird die Partikelkonzentration reduziert und frei fließende Flüssigkeiten entstehen in welchen die Blockcopolymer-Mizellen einem deutlichen größeren zwischenpartikulären Abstand von bis zu 300 nm einnehmen. Der Höhere Abstand geht mit einer Farbumstellung nach Grün auf Rot einher. Die erhöhte Partikelmobilität ermöglicht strukturelle Umlagerungen und das Wachstum millimetergroßer „schwebender“ photonischer Kristallite mit klassischem FCC-Gitter. Diese Kristallite weisen einen überraschend schmalen reflektierten Wellenlängenbereich auf, mit einer spektralen Bandbreite von bis zu 1 nm. Wir erwarten, dass dieses Konzept einen einfachen Weg für selbstassemblierte, responsive photonische Strukturen eröffnet und generelle auf andere polymer-dekorierte Nanopartikel übertragbar ist. Diese Arbeit wurde zusammen mit Forschern der der Aalto University (Finnland) und Cambridge (UK) durchgeführt.