Moleküle an Grenzflächen

Verhalten und Eigenschaften von Polymeren an Grenzflächen und Oberflächen

Im Bestreben, funktionelle Bausteine und Anordnungen immer kleiner werden zu lassen, werden Größenordnungen erreicht, die bereits kleiner sind als der Gleichgewichts-durchmesser von Makromolekülen. Das physikalische Verhalten dieser großen und zum Teil auch sehr komplexen Moleküle kann sich unter derart einschränkenden geometrischen Randbedingungen verändern. Dies führt unter anderem zu einigen unerwarteten und weitgehend noch nicht verstandenen Beobachtungen im Verhalten dieser Moleküle an Grenzflächen bzw. in dünnen Filmen.

In diesem Zusammenhang sind ausdrücklich die entropischen Energiebeiträge hervorzuheben, die den Unterschied in der Molekülstruktur (kettenartige Konformationen und deren Variation) zwischen Polymeren und einfachen Molekülen kennzeichnen. Ein grundlegendes Verständnis dieses Einflusses erlaubt es, das Verhalten von Polymeren an Grenzflächen zu erklären und zu kontrollieren.

Typische Fragestellungen betreffen:

• Benetzung und Entnetzung, Adhäsion und Reibung
• Stabilität bzw. morphologische Veränderungen aufgrund von zwischenmolekularen Wechselwirkungen
• Alterungs- und Relaxationsverhalten von Polymeren in einschränkenden Räumen

Schematische Darstellung der Entnetzung auf A) einem nicht-gleitfähigen Substrat und B) einem gleitfähigen Substrat. C) Characteristische zeitliche Entwicklung der Entnetzung (Loch-Wachstum) für einen 50nm dicken Polystyrolfilm (Mw = 52 kg/mol) bei 120°C für 5, 30 und 60 min. Die Größe der drei Abbildungen ist jeweils 59 x 47 μm2.

3D-Ansicht (gemessen mit Rasterkraft-Mikroskopie) eines typischen Lochs entstanden bei der Entnetzung eines Polystyrolfilms auf einem PDMS-beschichteten Subtrat bei Temperaturen nahe dem Glasübergang von PS. Typische 3D-Querschnitte B) der asymmetrischen Form der Randzone im frühen Stadium und vergleichsweise niederen Temperaturen und C) der symmetrischeren Form im Spätstadium oder bei hohen Temperaturen.

Typisches Ergebnis für die Entnetzung eines PDMS-Films auf einer dicht gepfropften Bürste von PDMS Molekülen mit funktionalisierten Enden. A) Optische Mikroaufnahme (von oben) der Entnetzung. B) Zeitliche Entwicklung des entnetzten Abstands d und der Breite w des Randwulsts, wie schmatisch im Einschub gezeigt.

Entwicklung der verbleibenden Spannungs-Relaxationszeit τ mit der Entnetzungstemperatur (T) für verschiedene Kettenlängen (wie angegeben). Bei niedrigen Temperaturen folgt τ einem VTF-Verhalten. Jedoch ist τ deutlich geringer als die Reptationszeit und ist auch nicht molekulargewichtsabhängig. 
 

Verwandte Themen