Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2078
Authors: Keller, Rabea
Title: Structure formation of amphiphilic molecules at the air, water interface and after film transfer
Online publication date: 26-Jul-2012
Language: english
Abstract: One of the basic concepts of molecular self-assembly is that the morphology of the aggregate is directly related to the structure and interaction of the aggregating molecules. This is not only true for the aggregation in bulk solution, but also for the formation of Langmuir films at the air/water interface. Thus, molecules at the interface do not necessarily form flat monomolecular films but can also aggregate into multilayers or surface micelles. In this context, various novel synthetic molecules were investigated in terms of their morphology at the air/water interface and in transferred films. rnFirst, the self-assembly of semifluorinated alkanes and their molecular orientation at the air/water interface and in transferred films was studied employing scanning force microscopy (SFM) and Kelvin potential force microscopy. Here it was found, that the investigated semifluorinated alkanes aggregate to form circular surface micelles with a diameter of 30 nm, which are constituted of smaller muffin-shaped subunits with a diameter of 10 nm. A further result is that the introduction of an aromatic core into the molecular structure leads to the formation of elongated surface micelles and thus implements a directionality to the self-assembly. rnSecond, the self-assembly of two different amphiphilic hybrid materials containing a short single stranded desoxyribonucleic acid (DNA) sequence was investigated at the air/water interface. The first molecule was a single stranded DNA (11mer) molecule with two hydrophobically modified 5-(dodec-1-ynyl)uracil nucleobases at the terminal 5'-end of the oligonucleotide sequence. Isotherm measurements revealed the formation of semi-stable films at the air/water interface. SFM imaging of films transferred via Langmuir-Blodgett technique supported this finding and indicated mono-, bi- and multilayer formation, according to the surface pressure applied upon transfer. Within these films, the hydrophilic DNA sequence was oriented towards air covering 95% of the substrate.rnSimilar results were obtained with a second type of amphiphile, a DNA block copolymer. Furthermore, the potential to perform molecular recognition experiments at the air/water interface with these DNA hybrid materials was evaluated.rnThird, polyglycerol ester molecules (PGE), which are known to form very stable foams, were studies. Aim was to elucidate the molecular structure of PGE molecules at the air/water interface in order to comprehend the foam stabilization mechanism. Several model systems mimicking the air/water interface of a PGE foam and methods for a noninvasive transfer were tested and characterized by SFM. It could be shown, that PGE stabilizes the air/water interface of a foam bubble by formation of multiple surfactant layers. Additionally, a new transfer technique, the bubble film transfer was established and characterized by high speed camera imaging.The results demonstrate the diversity of structures, which can be formed by amphiphilic molecules at the air/water interface and after film transfer, as well as the impact of the chemical structure on the aggregate morphology.
Eines der Grundkonzepte der molekularen Selbstaggregation ist, dass die Morphologie der Aggregate in direktem Bezug zu Struktur und Wechselwirkung der aggregierenden Moleküle steht. Dies gilt nicht nur für die Aggregation in flüssiger Phase sondern ebenfalls für die Bildung sogenannter Langmuir Filme an der Luft/Wasser Grenzfläche. Entsprechend bilden Moleküle an der Grenzfläche nicht zwangsläufig einen flachen monomolekularen Film sondern können ebenso zu Mehrfachschichten oder Oberflächenmizellen aggregieren. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene neuartige synthetische Moleküle in Hinblick auf ihre Strukturbildung an der Luft/Wasser Grenzfläche sowie im Filmübertrag untersucht. rnBeispielsweise wurden semifluorierte Alkane bezüglich ihrer Selbstaggregation und molekularen Orientierung an der Luft/Wasser Grenzfläche bzw. in übertragenen Filmen mittels Rasterkraftmikroskopie (SFM) und Kelvinsondenmikroskopie analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die untersuchten semifluorierten Alkane runde Oberflächenmizellen mit einem Durchmesser von 30 nm bilden, welche sich wiederum aus kleineren Muffin- förmigen Untereinheiten mit einem Durchmesser von 10 nm zusammensetzen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Einbau eines aromatischen Kerns in die molekulare Struktur zur Ausbildung länglicher Aggregate führt und somit zu einer gerichteten Selbstaggregation. In weiteren Experimenten wurde die Selbstaggregation zweier unterschiedlicher amphiphiler Hybridmaterialien bestehend aus kurzkettigen Einzelstrang-Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Sequenzen an der Luft/Wasser Grenzfläche studiert. Bei dem ersten der beiden Moleküle handelte es sich um eine Einzelstrang-DNA (11mer) mit zwei hydrophob modifizierten 5-(dodec-1-ynyl)uracil Nukleobasen am 5'-Ende der Oligonukleotid-Sequenz. Durch die Messung von Kompressions-Isothermen konnte die Bildung von semi-stabilen Filmen an der Luft/Wasser-Grenzfläche nachgewiesen werden. SFM Aufnahmen von Filmen, welche mittels der Langmuir-Blodgett Technik übertragen wurden, unterstützten diese Ergebnisse und deuteten auf die Bildung von Mono-, Doppel- und Mehrfachschichten in Abhängigkeit vom Oberflächendruck beim Übertrag hin. In diesen Schichten war die hydrophile DNA-Sequenz mit einer Oberflächenbelegung von 95% zur Luft ausgerichtet. Ähnliche Resultate wurden auch für die zweite amphiphile Verbindung - ein DNA-Blockcopolymer, bestehend aus einem kovalent an Polypropylenoxid gebundenen DNA(11mer)-Strang gefunden. Weiterhin wurde das Potential dieser DNA hybrid Materialen für die Durchführung molekularer Erkennungsexperimente an der Luft/Wasser Grenzfläche evaluiert. Dritter Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von schaumbildenden Polyglycerolestern (PGE). Ziel hierbei war die Aufklärung der molekularen Struktur von PGE an der Luft/Wasser Grenzfläche zum besseren Verständnis der Schaum-Stabilisation. rnVerschiedene Modelsysteme, welche die Luft/Wasser-Grenzfläche eines PGE Schaums imitieren, sowie Methoden für einen nicht invasiven Übertrag der Filme wurden durch SFM-Messungen charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass PGE durch Bildung von Mehrfachschichten die Luft/Wasser-Grenzfläche einer Schaumblase stabilisiert. Zusätzlich wurde eine neue Transfer-Methode, der sogenannte "Bubble-Film-Transfer" entwickelt und durch Aufnahmen mit einer High-Speed Kamera untersucht. Sämtliche Ergebnisse demonstrieren die Vielfalt möglicher Strukturen, die von amphiphilen Molekülen an der Luft/Wasser-Grenzfläche ausgebildet werden können, sowie den Einfluss der chemischen Struktur auf die Aggregat-Morphologie.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2078
URN: urn:nbn:de:hebis:77-31803
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 137 S.
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