Dokument: Grenzflächenassemblierung von Kern-Schale-Mikrogelen: Oberflächenspannungsgetriebene Entwicklung und strukturelle Diskrepanzen zwischen in-situ- und ex-situ-Beobachtungen

Titel:	Grenzflächenassemblierung von Kern-Schale-Mikrogelen: Oberflächenspannungsgetriebene Entwicklung und strukturelle Diskrepanzen zwischen in-situ- und ex-situ-Beobachtungen
Weiterer Titel:	Interfacial Assembly of Core-Shell Microgels: Surface Tension-Driven Evolution and Structural Discrepancies between in-situ and ex-situ Observations
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70271
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250728-110506-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Zhou, Yichu [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,29 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 20.07.2025 / geändert 20.07.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Karg, Matthias [Gutachter] Jun-Prof. Dr. Buttinoni, Ivo [Gutachter]
Stichwörter:	Core-shell Microgels, Colloidals, Surface Tension, Monolayers, Cross-linker Density, AFM imaging, Substrate Hydrophobicity
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Kern-Schale-Mikrogele mit starren Kernen und weichen, deformierbaren Hydrogel-Schalen können sich an Luft/Wasser-Grenzflächen zu 2D-Mikrostrukturen anordnen. Das Verständnis ihres Grenzflächenverhaltens ist entscheidend für die Kontrolle der Monoschichtstrukturen und die Optimierung ihrer weiteren Anwendungen. Zwei zentrale Aspekte dieses Verhaltens bleiben jedoch ungeklärt: der Einfluss der Grenzflächenspannung auf die Monoschichtentwicklung sowie die Genauigkeit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) bei der Darstellung realer Grenzflächenmikrostruktu-ren. In dieser Studie untersuchen wir diese Aspekte systematisch durch experimentelle und theoretische Ansätze und liefern Erkenntnisse sowohl über makroskopische als auch mikroskopische Grenzflächenverhalten. Die starke Adsorption von Kern-Schale-Mikrogelen an Luft/Wasser-Grenzflächen steht in Zusammenhang mit der Reduktion der Grenzflächenspannung, die auch eine laterale Deformation der Mikrogele verursacht. Der Grad dieser Deformation wird typischerweise durch den angelegten Oberflächendruck gesteuert. Das Ungleichgewicht der Grenzflächenspannung zwischen mikrogelbedeckten und mikrogel-freien Bereichen ist ein entscheidender Faktor für die Entwicklung der Monoschicht. Durch die Zugabe von SDS oder linearer PNIPAM zur Anpassung der Spannung in mikrogel-freien Regionen expandieren, komprimieren oder stabilisieren sich frei schwimmende Monoschichten in Abhängigkeit vom resultierenden Spannungsungleichgewicht, das einen Marangoni-Fluss induzieren kann. Die globale Entwicklung der Monoschicht wurde verfolgt, während lokale strukturelle Veränderungen mittels AFM analysiert wurden. Der Vergleich von Kern-Schale-Mikrogelen mit identischen Silicakernen, jedoch unterschiedlicher Vernetzungsdichte, zeigt, wie die Deformierbarkeit das Grenzflächenverhalten beeinflusst. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Ansätze zur Steuerung von 2D-Mikrostrukturen ohne die Notwendigkeit einer Langmuir-Trog-Methode. Darüber hinaus behandelt die Studie Diskrepanzen zwischen AFM-Bildgebung und der tatsächlichen Grenzflächenanordnung von Mikrogelen. Obwohl AFM häufig für ex-situ-Analysen verwendet wird, bleibt unklar, ob es in-situ-Strukturen korrekt wiedergibt. Bei hoher Kompression suggerieren AFM-Aufnahmen feste-feste Phasenübergänge, die sich durch abrupte Verringerungen der interpartikulären Abstände auszeichnen. Simulationen hingegen prognostizieren eine kontinuierliche hexagonale Anordnung, was darauf hinweist, dass diese Übergänge Artefakte sind, die während des Transfers und der Trocknung der Monoschicht entstehen. Zudem beeinflusst die Substrathyrophobie die endgültige, durch AFM beobachtete Struktur: Hydrophile Substrate begünstigen Clusterbildung und Hohlraumbildung, während hydrophobe Substrate die native Monoschichtanordnung besser bewahren. Diese Diskrepanz unterstreicht die potenziellen Einschränkungen der ex-situ-AFM-Bildgebung zur Erfassung des tatsächlichen Grenzflächenverhaltens, die durch die Verwendung hydrophober Substrate verringert werden können. Durch die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Grenzflächenspannungen und Monoschichtmikrostruktur an Flüssigkeitsgrenzflächen bietet diese Studie ein tieferes Verständnis der Mikrogelassemblierung an flüssigen Grenzflächen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Gestaltung und Optimierung mikrogelbasierter Materialien mit einstellbaren Grenzflächeneigenschaften, verdeutlichen die Grenzen der AFM zur Erfassung realer Grenzflächenstrukturen und betonen die Bedeutung der Berücksichtigung sowohl intrinsischer Mikrogeleigenschaften als auch äußerer Bedingungen bei der Analyse der Grenzflächenorganisation. Core-shell microgels with rigid cores and soft, deformable hydrogel shells can assemble at air/water interfaces, forming 2D microstructures. Understanding their interfacial behaviours is essential for controlling the monolayer structures and optimizing their further applications. Two critical aspects of this behaviour remain to be elusive: the impact of interfacial tension on monolayer evolution, and the accuracy of atomic force microscopy (AFM) in representing real interfacial microstructures. In this study, we systematically investigate these aspects through experimental and theoretical approaches, providing insights into both macroscopic and microscopic interfacial behaviors. The strong adsorption of core-shell microgels at air/water interfaces is related to the reduction in interfacial tension that also causes the microgels to laterally deform. The degree of this deformation is typically controlled through the applied surface pressure. The impact of interfacial tension imbalances between monolayer-covered and microgel-free areas on monolayer evolution is a crucial factor in understanding the microgel monolayer evolution. By the addition of SDS or linear PNIPAM to adjust tension in microgel-free regions, freely floating monolayers expand, compress, or remain stable depending on the resulting tension imbalance, which can induce Marangoni flow. The global evolution of the monolayer was tracked, while local structural changes were analyzed using AFM. A comparison of core-shell microgels with identical silica cores but varying crosslinker densities reveals how deformability affects interfacial behaviour. These findings provide valuable insights into controlling 2D microstructures without relying on a Langmuir trough. The study also addresses discrepancies between AFM imaging and the actual interfacial arrangement of microgels. While AFM is widely used for ex-situ analysis, whether it accurately reflects in-situ structures remains uncertain. Under high compression, AFM imaging suggests solid-solid phase transitions marked by abrupt reductions in interparticle distance. However, simulations predict continuous hexagonal ordering, indicating that these transitions are artefacts introduced during monolayer transfer and drying. Additionally, substrate hydrophobicity is shown to influence the final AFM-observed structure: hydrophilic substrates promote clustering and void formation, while hydrophobic substrates better preserve the native monolayer arrangement. This discrepancy highlights potential limitations of ex-situ AFM imaging in capturing true interfacial behaviour, which can be mitigated by using hydrophobic substrates. By investigating the interplay between interfacial tensions and monolayer microstructure at liquid interfaces, this study provides a deeper understanding of microgel assembly at liquid interfaces. The findings offer valuable insights for designing and optimizing microgel-based materials with tunable interfacial properties, highlighting the limitations of AFM in capturing true interfacial structures and emphasizing the importance of considering both intrinsic microgel properties and external conditions when analyzing interfacial organization.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie
Dokument erstellt am:	28.07.2025
Dateien geändert am:	28.07.2025
Promotionsantrag am:	22.05.2025
Datum der Promotion:	16.07.2025