Strukturbildung in makromolekularen Systemen
Molekulare Selbstorganisation und Bildung funktioneller Strukturen an Oberflächen
Prozesse der spontanen molekularen Selbstorganisation, insbesondere an Grenzflächen, erlauben die Schaffung von funktionellen und steuerbaren Oberflächen, die ihrerseits wieder in Bereichen der Sensorik, Initiierung von Wachstumsvorgängen und auch der Kontrolle von Adhäsion, Reibung und Benetzbarkeit wichtige Rollen spielen. In diesem Zusammenhang sind supra-molekulare Ordnungsstrukturen, die eine langreichweitige sub-molekulare (sub-Nanometer) Präzision aufweisen, und Hybridstrukturen aus Polymeren und Nanoteilchen, die mittels entsprechender Verfahren regelmäßig auf Oberflächen angeordnet werden, hervorzuheben. Diese Systeme erlauben die Herstellung von Modellstrukturen, die neue physikalische (elektronische, optische, mechanische, ...) Eigenschaften versprechen und eventuell als Speichermedien bzw. Schaltelemente Verwendung finden können.
Strukturbildung von "coil-rod" Blockcopolymeren in dünnen Filmen
Die Strukturbildung eines Polystyrol-b-Poly(γ-Benzyl-L-Glutamat) (PS-PBLGlu) mit einem amorphen und einem kristallisierbaren, helixförmigen Segment wurde in dünnen Filmen untersucht und mit der Situation im Bulk verglichen. Die dünnen Filme wurden durch Spincoating aus verdünnter Lösung von Tetrahydrofuran (THF) hergestellt und anschließend in einer gesättigten THF-Atmosphäre getempert, um eine kontrollierte Kristallisation des PBLGlu zu erreichen. Die Analyse der Filme mit Rastersondenmikroskopie (SFM) legte eine Vielzahl von Strukturen mit Ordnung auf unterschiedlichen Längenskalen von einigen Nanometern bis zu Mikrometern offen.
(A) SFM-Höhenbild und Ergebnis der histografischen Analyse eines PS52-b-PBGlu104-Films hergestellt durch Spincoating aus einer 0.5 mg/mL THF-Lösung. Der Film war anschließend für 66 Stunden gesättigten THF-Dampfatmoshäre ausgesetzt.
(B) Strukturmodell
Charakteristische AFM-Bilder von ca. 40 nm dicken Filmen nach dem Einwirken einer Dampfatmosphäre eines guten Lösungsmittels:
Oben: PS52-PBLGlu104
Unten: PS63-(PBLGlu37)8
Entwicklung einer mehrstufigen Ordnung in "Supermolekülen"
Der Prozess der Selbstorganisation auf verschiedenen Längenskalen von bis-Harnstoff-substituiertem Toluol auf einer Au(111)-Oberfläche wurde mit Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie untersucht. Die Ausbildung von Mustern wird von speziellen Wasserstoffbindungen zwischen diesen Molekülen kontrolliert, aber auch von deutlich schwächeren Querkoppelungen zwischen den daraus entstehenden supermolekularen Polymeren, und von einer quasiepitaktischen Verbindung mit dem Substrat. Die geordneten Verbände besitzen Tunneltransparenz. Unsere Experimente zeigen die Notwendigkeit von vielfachen Interaktionen verschiedener Stärken, um diese geordneten Strukturen mit ihren hierarchischen Organisationsebenen zu erhalten.
Charakteristisches AFM-Bild eines durch Eintauchen in eine 10-4 molare Lösung in Toluol hergestellten dünnen Films. Die Probe wurde für 27 Stunden bei 60°C einer Toluol-Atmosphäre ausgesetzt. | (a) Hochauflösendes STM-Bild (5 x10 nm2, 0:4 V, 1.9 nA). Im Einschub ein raumfüllendes Modell von EHUT. (b) Schema der möglichen Kommensurabilitäts-Beziehung zwischen der supramolekularen Schicht und der Au(111)-Unterlage. (c) Seitenansicht der adsorbierten EHUT-Schicht aus (b). Die Skala der z-Achse ist um Faktor 2 vergrößert. |
| STM-Bild einer EHUT-Monolage auf Au(111) 20 x 13.5 nm2. Das Substrat mit der Fischgrät-Rekonstruktion ist im unteren Bereich des Bilds zu sehen. EHUT-Moleküle organisieren von selbst mittels Wasserstoffbrücken zu supermolekularen Doppelreihen wie im darübergelegten Modell der vorangehenden Abb. (c) dargestellt. Die hellen Stellen entsprechen Alkylketten, die aus der Subtstratebene herausragen und interagieren, um einen "Reißverschluss" auszubilden. Der gleichmäßige orangefarbene Kontrast entlang der Moleküle bestätigt die nicht-planare Position des Toluolkerns. | Ansicht eines Schnitts einer Doppelreihe von EHUT Molekülen auf einer Goldoberfläche. Goldatome sind ockerfarben dargestellt, Kohlenstoffatome in hellblau, Stickstoff dunkelblau und Wasserstoff in weiß. Bei Molekularmodell-Simulationen kann die Ethylhexyl-Gruppe so arrangiert werden, dass der Ethylzweig adsorbiert wird und das Ende der Hexylgruppe von der Oberfläche wegzeigt. |
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