Polyelektrolyt - Selbstorganisation
Die Adsorption organischer Moleküle an Grenzflächen kann auf vielfältige Weise zum Design neuartiger Materialien mit auf der Nanometerskala definierten Strukturen genutzt werden. Sogenannte 'Self-assembly'- Prozesse, die die Selbstorganisation von Molekülen an einer Grenzfläche aufgrund von z.B. hydrophober oder elektrostatischer Wechselwirkung beschreiben, können zur vielfachen Schichtbildung ausgenutzt werden.
Alternierende Tauchprozesse in Lösungen von Polykationen bzw. Polyanionen führen zur Bildung von Polyelektrolyt-Multischichten.© Prof. Dr. Schönhoff Multischichtbildung
In diesem Kontext beschäftigen wir uns mit der Bildung von Polyelektrolyt- Multischichten: Diese entstehen durch alternierendes Eintauchen eines geladenen Substrates in Lösungen entgegengesetzt geladener Ketten (hier: rot: negativ, blau: positiv). Aus Einzelschichten mit Dicken im nm-Bereich können so Filme mit bis zu µm-Dicken mit kontrollierter Architektur aufgebaut werden.
Beschichtetes Partikel© Prof. Dr. Schönhoff PARTIKELBESCHICHTUNG
Derartige Multischichten können auch auf kolloidalen Partikeln als Substrat hergestellt werden. Überschüssiges Polyelektrolyt wird dabei durch Filtrations- oder Zentrifugationsprozesse entfernt.
Die Entwicklung von Beschichtungsverfahren für Partikel ist wesentlich, um NMR-Studien an Multischichten durchzuführen, da hier eine grosse interne Oberfläche benötigt wird.
Bildung von Mikro-Hohlkapseln durch Templatauflösung© Prof. Dr. Schönhoff Nach Beschichtung von Kolloiden mit Polyelektrolyt-Multischichten kann das kolloidale Partikel selbst herausgelöst werden. Vorausgesetzt, dass die PEM-Hülle stabil ist, entsteht ein polymerer Hohlkörper, eine 'Hohlkapsel'. Diese Materialien eignen sich zum Enkapsulieren und kontrollierten Freisetzen von Wirkstoffen.
Warum interessieren uns solche Materialien?
Multischicht- Materialien sind für viele zukünftige Anwendungen interessant, da es gelungen ist, verschiedene zusätzliche Komponenten mit definierter Funktion einzubauen, wie z.B. Proteine, Enzyme, anorganische Nanopartikel. Daraus ergeben sich völlig neue Möglichkeiten des kontrollierten Materialdesigns auf der kleinsten Längenskala, die mit molekularen Anordnungen überhaupt möglich ist.
In unseren Projekten haben wir z.B. funktionelle Komponenten wie Gold-Nanopartikel oder Gast-Wirtssysteme in Multischichten eingebaut, wir verwenden synthetische oder Biopolymere und optimieren Polyelektrolyt-Multischichten im Hinblick auf „molecular imprinting“, pH-getriggerte Molekül-Freisetzung oder Ionenleitung.
Für solche Anwendungen ist auch ein grundlegendes Verständnis der Prinzipien des sogenannten 'selbstorganisierten Schichtaufbaus' essentiell. Wir untersuchen daher die Mechanismen des Schichtaufbaus insbesondere in Bezug auf Interdiffusionsprozesse, die einen Übergang von linearen zu exponentiellen Wachstumsgesetzen bewirken können.
Einige ausgewählte Publikatoionen:
Movilli, J.; Choudhury, S.S.; Schönhoff, M.; Huskens, J.
Enhancement of Probe Density in DNA Sensing by Tuning the Exponential Growth Regime of Polyelectrolyte Multilayers
Chem. Mater. 2020, 32, 9155-9166.
https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02454Schlicke, J.; Hoffmann, K.; Lorenz, M.; Schönhoff, M.; Cramer, C.
Ionic Conductivity Enhancement of Polyelectrolyte Multilayers by Variation of Charge Balance
J. Phys. Chem. C 2020, 124 (31), 16773–16783.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c03043Parveen, N.; Jana, P. K.; Schönhoff, M.
Viscoelastic Properties of Polyelectrolyte Multilayers Swollen with Ionic Liquid Solutions
Polymers 2019, 11(8), 1285.
https://doi.org/10.3390/polym11081285Ostendorf, A.; Schönhoff, M.; Cramer, C.
Ionic conductivity of solid polyelectrolyte complexes with varying water content: application of the dynamic structure model
Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21(14), 7321-7329.
https://doi.org/10.1039/c8cp05853aBütergerds, D., Cramer, C., Schönhoff, M.
pH-dependent growth laws and vicoelastic parameters of poly-L-lysine/ hyaluronic acid multilayers
Adv. Mat. Interf. 2017, 4(1), 1600592
https://doi.org/10.1002/admi.201600592
Nicolas, H., Yuan, B., Zhang, X., Schönhoff, M.
Cucurbit[8]uril-Containing Multilayer Films for the Photocontrolled Binding and Release of a guest Molecule
Langmuir 2016, 32, 2410-2418
Ostendorf, A., Cramer, C., Decher, G., Schönhoff, M.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.6b00128
Humidity-Tunable Electronic Conductivity of Polyelectrolyte Multilayers Containing Gold Nanoparticles
J. Phys. Chem. C 2015, 119(17), 9543-9549
https://doi.org/10.1021/jp5127706
Weitere Informationen über Polyelektrolyt-Multischichten:
Schönhoff, M.
Self-Assembled Polyelectrolyte Multilayers
Current Opinion in Coll. Interf. Sci. 2003 , 8(1), 86-95Schönhoff, M.
Layered Polyelectrolyte Complexes: Physics of Formation and Molecular Properties
J. Phys.: Cond. Matter 2003, 15(49), R1781-R1808