Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2610
Authors: Lau, King Hang Aaron
Title: Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films
Online publication date: 24-Jul-2008
Language: english
Abstract: A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.
Charakteristisch für einen nanostrukturierten, dünnen Film ist seine Zusammensetzung aus Subdomänen mit typischen lateralen Dimensionen im Bereich von 10- bis 100 nm, die sich durch unterschiedliche Materialeigenschaften auszeichnen. Die Existenz solcher nanoskopischer Domänen führt zu einer hohen Anzahl an Grenzflächen, deren Eigenschaften das Verhalten des gesamten strukturierten Films bestimmen kann. Auch die Domänengröße an sich führt zu nanoskopischen Effekten bei der Wechselwirkung mit Objekten gleicher Größenordnung (z.B. Biomakromoleküle) bzw. physikalischen Phänomenen wie eingestrahltem Licht, dessen Wellenlänge im Vergleich zu der Größe der Domänen groß ist. Die Strukturierung von Materialien auf der Nanoskala ermöglicht somit neue Möglichkeiten der gezielten Manipulation chemischer und physikalischer Eigenschaften, die zu neuartigen Anwendungen unter Ausnutzung nanoskaliger Effekte führen können. Zwei Methoden zur einfachen Erzeugung von Nanostrukturierungen in dünnen Filmen auf festen Substraten sind die Selbstorganisation von Blockcopolymeren (BCP) und die anodische Oxidation von Aluminiumfilmen, die zur Ausbildung von nanoporösem anodischem Aluminiumoxid (AAO) führt. In der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit zur exakten Regulierung von Domängröße und Grenzflächendichte über die gesamte Nanoskala durch Selbstorganisation von Poly-(Styrol-block-Methylmethacrylat) Filmen gezeigt. Der Einfluss dieser nanoskaligen Effekte wird am Beispiel von Protein-Oberflächen Interaktionen untersucht. Es wird gezeigt, dass die Anzahl absorbierter Proteine durch Variieren der Gesamtlänge der Grenzflächen von Polystyrol- und Polymethylmethacrylat-Domänen an der Oberfläche reguliert werden kann. Desweiteren wird untersucht, wie durch ebenmäßige Strukturierung des Blockcopolymerfilms Adsorption von Proteinen zu geordneten Strukturen auf der Nanoskala erreicht werden kann. Protein-Oberflächen Wechselwirkungen in nanostrukturierten Filmen sind wertvolle Grundlagenuntersuchungen für spätere Anwendungen in Biomaterialien, Biosensoren und bei Zell-Oberflächenexperimenten in nanoskalierter Umgebung. Auch die Anwendung von PS-b-PMMA und AAO Filmen als optische Wellenleiter im sichtbaren Wellenlängenbereich wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Dazu wurden PS-b-PMMA Filme mit vertikalen, zylinderförmigen Domänen präpariert, deren Morphologie der nanoporösen Struktur von anodisch oxidiertem Aluminiumoxid gleicht. Aus dieser geordneten Morphologie resultiert eine optische Anisotropie. Durch die nanoskope Strukturierung, deren Domängröße weit unterhalb der Wellenlänge sichtbaren Lichts liegt, werden Streuverluste minimiert und die optische Antwort kann mithilfe der Effektiven Medium Theorie (EMT) analysiert werden. Optische Wellenleiter Messungen und EMT Analyse der optischen Anisotropie des Films ermöglichen die in situ Charakterisierung der PS-b-PMMA Nanostruktur und die Untersuchung von Oberflächenprozessen in nanoporösen AAO mit hoher Genauigkeit und versprechen so vielfältige Anwendungsgebiete.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2610
URN: urn:nbn:de:hebis:77-16793
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:JGU-Publikationen

Files in This Item:
  File Description SizeFormat
Thumbnail
1679.pdf34.73 MBAdobe PDFView/Open