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Von partikulären Bausteinen zu suprakolloidalen Strukturen finiter Größe
(2011)
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Claudia Simone Wagner
- Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Zuhilfenahme von Templaten komplexe kolloidale Strukturen aufgebaut. Die Herstellung von kolloidalen Clustern, Hybridclustern und nanoporösen Kapseln wurde in Verknüpfung mit theoretischer Modellierung erforscht, um komplexe Bausteine für die Mesotechnologie zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wurden gezielt größere Mengen kolloidaler Cluster hergestellt, wobei erstmals eine Gesamtgröße der Aggregate unter 300 nm erzielt werden konnte. Cluster dieser Größe sind auf Grund der Brownschen Teilchenbewegung stabilisiert, welche der Sedimentation der Cluster entgegenwirkt. Die Clusterherstellung erfolgte durch eine kontrollierte Aggregation kolloidaler Polymer-Bausteine. Dabei wurden Emulsionströpfchen von Öl-in-Wasser-Emulsionen als Template verwendet. Die in derartigen Emulsionen dispergierten Partikel adsorbierten auf Grund des Pickering-Effekts an der Tröpfchenoberfläche. Die Reduktion der Clustergröße wurde durch eine Beschränkung der Primärbausteine auf Polystyrol-Partikel auf Durchmesser kleiner 200 nm und eng verteilte Öltröpfchen im Mikrometerbereich erreicht. Die Tröpfchengrößenverteilung konnte gezielt durch den Einsatz von Ultraschall gesteuert werden. Durch kontrolliertes Verdampfen der Öltröpfchen wurde die Clusterbildung induziert und es kam zu einer Anordnung der Partikel zu Clustern mit definierten Konfigurationen. Durch Zentrifugation in einem Dichtegradienten ließ sich die Suspension in Fraktionen einheitlicher Cluster auftrennen und schließlich mittels rasterelektronischer Aufnahmen definierten Konfigurationen zuordnen. Um in der vorliegenden Dissertation das nächsthöhere Level an Komplexität zu erreichen, wurde das neue Verfahren der Clusterherstellung zur Synthese definierter kolloidaler Hybridcluster eingesetzt, das heißt zum Aufbau von Clustern bestehend aus unterschiedlichen Bausteinen. Zunächst wurden Polystyrol-Cluster nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Diese dienten als Template für eine Adsorption entgegengesetzt geladener anorganischer Nanopartikel auf ihren Oberflächen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass ein hoher Bedeckungsgrad der Clusteroberfläche mit Nanopartikeln mit einer Ladungsumkehr verbunden ist und dies die Herstellung stabiler Suspensionen von Hybridclustern ermöglicht, obwohl sich die Polystyrol-Cluster und die Nanopartikel in ihrer Nettoladung unterschieden. Die Charakterisierung der Hybridcluster durch Rasterelektronenmikroskopie ergab, dass das Abscheiden der Nanopartikel zu einer gleichmäßigen, räumlich separierten Verteilung der Nanopartikel auf der Clusteroberfläche führte. Somit eröffnen sich Perspektiven für Hybride mit einer Kontrolle über Form, Zusammensetzung und Oberflächenrauigkeit. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Strategie zur Herstellung anisometrischer, nanoporöser Kapseln, sogenannten Nanosomen, bestehend aus einer geschlossenen Monolage von Nanopartikeln. Zur Synthese der Nanosome wurden die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Arbeiten genutzt: zum einen können geladene Partikel kontrolliert über die Öl- und die Wasserphase in den Emulsionsschritt eingebracht werden und zum anderen können kolloidale Cluster als Template zur Herstellung von Hybriden dienen. Zuerst wurden negativ geladene anorganische Nanopartikel und positiv geladene Polymerpartikel an der Oberfläche von Emulsionströpfchen vereint. Die Emulgierung erfolgte in Anlehnung an das Verfahren zur Herstellung von kolloidalen Clustern. Die entstandenen Heteroaggregate wurden anschließend mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese eine Kern-Schale-Architektur besaßen, wobei definierte Polymercluster als Kern fungierten und die Nanopartikel die Schale bildeten. Eine anschließende Entfernung der inneren Template durch Pyrolyse zeigte nanoporöse Kapseln mit komplexer Gestalt, welche durch die Anzahl der Polymerpartikel pro Tröpfchen bestimmt war. Trotz der Monolage der erhaltenen Nanosome waren alle untersuchten Konfigurationen intakt. Zusätzliche theoretische Modellierung erlaubte ein vertieftes Verständnis der Anordnung der Nanopartikel auf den Clustern und eine Aussage zur Stabilität der Nanosome. Durch deren Komplexität und einer bemerkenswert hohen Dichte an Nanoporen könnten die Nanosome somit Anwendung im Bereich der Biomedizin finden. Zusammenfassend dargestellt präsentiert diese Dissertation die Kombination elementarer Bausteine zu mesoskopischen Designer-Aggregaten höherer Komplexität, gepaart mit einzigartigen optischen und magnetischen Eigenschaften.
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Fabrication of Polymersomes using Microfluidic Devices
(2011)
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Julian Thiele
- The fabrication of diblock copolymer vesicles, so-called polymersomes, from poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene glycol) (P2VP-b-PEG) and poly(ethylene glycol)-block-poly(lactid acid) (PEG-b-PLA) by means of microfluidics is described. The experiments were performed in microfluidic devices made by soft lithography in poly(dimethylsiloxane) (PDMS). To gain insight into the fluid dynamics in the microfluidic devices, 2D and 3D simulations based on the finite element method (FEM) were performed. This allowed for optimization of the microchannel geometry, and thus precise control over the formation process and properties of the polymersomes, which were extensively characterized by dynamic light scattering (DLS), confocal laser scanning microscopy (CLSM) and cryo transmission electron microscopy (cryo-TEM). Two distinct approaches to control the vesicular self-assembly of copolymer molecules into polymersomes were studied: the undirected self-assembly using hydrodynamic flow focusing (HFF) and the directed self-assembly using copolymer-stabilized water/organic solvent/water (W/O/W) double emulsion templates. In the former case, the formation of polymersomes occurred at the interface of a flow-focused, copolymer-loaded solvent stream and a selective solvent in a simple microchannel cross junction. Investigations revealed that the polymersome size is in proportion with the flow rate ratio of polymer solution and the selective solvent; a nucleation and growth model explaining the observed relation between flow conditions and polymersome size was proposed. In the latter case, the formation of polymersomes was directed by W/O/W double emulsions during evaporation of the organic solvent in which the copolymer was dissolved. The formation of vesicles from diblock copolymers in microfluidic devices not only enables continuous fabrication of polymersomes with controlled size and narrow polydispersity (PDI), but also offers the ability to tune the polymersome size over several orders of magnitude from less than 50 nm using HFF to more than 100 micron using double-emulsion templates. To allow for the aforementioned studies, preliminary work focusing on increasing the resistance of PDMS towards swelling due to organic solvents was performed. By using a glass-like coating based on sol-gel chemistry, the swelling of PDMS was decisively decreased. Analyses of coated devices by scanning electron microscopy (SEM) illustrated that the coating could be homogeneously distributed even in complex microfluidic devices as employed for the preparation of double-emulsion templates. To simplify the fabrication of microfluidic devices with patterned wettability as required for the formation of double emulsions, a novel method to spatially pattern the surface properties of microchannels using flow confinement was developed. For a better understanding of the formation of double emulsions, a fundamental investigation of multiple emulsion formation in microfluidic devices in general was performed. Results show that, depending on the number of dripping instabilities present in the device, multiple emulsions can either be formed in a sequence of emulsification steps or in a one-step process. It was furthermore demonstrated that one-step formation of multiple emulsions provides a novel way to create emulsions from liquids, which otherwise cannot be emulsified controllably, such as viscoelastic polymer solutions or liquids exhibiting a low surface tension. Finally, the development of a novel microfluidic spray dryer based on a conventional microfluidic device for forming double emulsions was presented and its application for fabricating drug nanoparticles from hydrophobic active pharmaceutical ingredients (APIs) was demonstrated.
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The Surface Charge of Soft and Hard Sphere Colloidal Particles - Experimental Investigation and Comparison to Theory
(2011)
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Christian Schneider
- The focus of this thesis was aimed at the investigation of colloidal particle stability. In a first step we established a method to assess the repulsive interaction energy of dispersed colloids based on the measurement of the rate of slow coagulation with light scattering. Due to an energy resolution in the order of magnitude of the thermal energy, the method was termed microsurface potential measurements (MSPM). We then used the MSPM to measure the potential at the outer Helmholtz plane (oHp), the diffuse potential, which determines the electric double layer of surface charged colloidal particles. The MSPM were performed on anionic particles in the presence of di- and trivalent counterions as a function of the bulk electrolyte concentration. We found that the the diffuse potential does only weakly depend on the magnesium but strongly on the lanthanum ion concentration. In both cases the absolute value of the the diffuse potential decreases with increasing electrolyte concentration. The absolute values of the the diffuse potential are always lower for the trivalent counterions as compared to the divalent results. To supplement the results of the MSPM, we measured the zeta-potential of the particles under similar conditions. Here we detected charge reversal in the experiments with the di- and trivalent counterions. In the salt concentration range of the MSPM the zeta-potential and the the diffuse potential were closely related for both ion species but could not be described by Poisson-Boltzmann based models. In the case of the trivalent counterions, we could experimentally verify the strong influence of counterion adsorption in the destabilization of the surface charged colloids. Furthermore, we showed that the zeta-potential is not suited for calculating the particle stability in the experiments involving trivalent counterions and found strong experimental indications for counterion correlations. We also used MSPM to investigate an anionic SPB in the presence of trivalent counterions. For this purpose we measured the interaction force of two planar polyelectrolyte brush layers across an aqueous medium containing trivalent counterions with the surface forces apparatus. We found that steric repulsion does not occur. The repulsion only arises from residual charges inside the brush layers. From the resulting force curves we were able to deduce an interaction profile of SPB particles in aqueous solution containing multivalent counterions. Thus, we were able to measure the effective repulsive energy of SPB particles using MSPM with an accuracy of the thermal energy. Due to the increase of confined lanthanum counterions in the brush layer the electrostatic repulsion decreased with rising lanthanum concentration. Furthermore, the experimental results were well predicted by a mean-field model. For the first time, we described the means to measure and predict the repulsive energies of SPB particles in aqueous solution in the presence of multivalent counterions. In a next step we refined the theoretical basis of the MSPM and expanded the electrolyte concentration range of the stability experiments. We also measured the form factors of the SPB doublets and found pronounced deviations between the data points and the predictions of the Rayleigh-Debye approximation. We showed that the MSPM are now accurate enough to measure the effective charges per SPB particle with a sub millimolar concentration resolution. Furthermore, we used the mean-field model to predict the particle stability and the effective charge per SPB particle. In both cases we found the deviations between the experimental data and the model to be within an error margin of 20%. Therefore we predicted the particle stability of SPBs in aqueous solution for the first time. In conclusion, this thesis provides a deeper insight into the mechanisms of particle stability and coagulation of electrostatically and electrosterically stabilized dispersions. It offers a new method to investigate the repulsive interactions between colloidal particles which is applicable to a wide variety of colloidal systems. Moreover, we made the first steps toward a more complete understanding of the stability of SPB particles, which is important for potential industrial applications of these kind of systems.
