Kontrolle der Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel mittels amphiphiler Polymere

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um die Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel zu kontrollieren. Es wurde eine effiziente und vielseitige Methode entwickelt, mit der in-situ hydrophobierte, formanisotrope ZnO-, CdS- und Au-Nanopartikel sowie poröse TiO2-Nanopartikel hergestellt werden konnten. Diese Technik basierte auf der Fällung anorganischer Nanopartikel in einer inversen Emulsion mittels kombinierten Einsatzes zweier maßgeschneiderter amphiphiler Polymere. Ein Copolymer ermöglichte sowohl die Stabilisierung der Emulsion als auch die Hydrophobierung der Partikel, und ein weiteres Struktur-dirigierendes Agens (SDA) kontrollierte den Kristallisationsprozess. Infolge ihrer Form zeigten die Nanopartikel von sphärischen Teilchen abweichende Lagen der Oberflächenplasmonenresonanz und der Bandlücke. Aufgrund der hervorragenden Hydrophobierung dieser Kolloide mittels amphiphiler Copolymere konnten diese homogen in polymere Materialien eingearbeitet werden. Dies erlaubte es die speziellen Eigenschaften von nicht-sphärischen Kolloiden auf Nanokompositmaterialien zu übertragen. Darüber hinaus wurden amphipolare Copolymere genutzt, um superhydrophobe Oberflächen zu generieren. Hierzu wurden Filme bestehend aus rauen SiO2-Nanopartikeln mit fluorierten Emulgatoren beschichtet. In einem dritten Schwerpunkt dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um anorganische Nanopartikel zu hydrophilieren. Durch Variation der Emulgatorzusammensetzung konnten die Ladung und Ladungsdichte auf der Partikeloberfläche gezielt gesteuert werden. Darüber hinaus konnte die Partikelhülle zusätzlich mit Farbstoffmolekülen funktionalisiert werden, was den erfolgreichen Einsatz der Kolloide in Zellaufnahmeexperimenten ermöglichte.

Within the presented work amphiphilic co- and terpolymers were used to control the interface properties of inorganic nanoparticles. First, an efficient an versatile method was developed which allowed the synthesis of in-situ hydrophobized, shape anisotropic ZnO, CdS and Au nanoparticles as well as porous TiO2 nanoparticles. This technique was based upon the precipitation of inorganic nanoparticles in an inverse emulsion by using two amphiphilic polymers. One amphiphilic copolymer stabilized the emulsion droplets as well as hydrophobized the inorganic colloids and another agent with structure directing properties controlled the crystallization process. As a result of the non-spherical shape the obtained colloids showed a shift of their surface plasmon resonance or their bandgap. Due to their excellent hydrophobization these nanoparticles could be homogeneously incorporated into a polymer matrix. Therefore, it was possible to transfer the unique properties of shape anisotropic nanoparticles to composite materials. Furthermore, amphipolar copolymers were employed to create superhydrophobic surfaces. For this purpose thin films composed of rough SiO2 nanoparticles were coated with fluorinated emulsifiers. Amphiphilic co- and terpolymers were also used to homogeneously transfer hydrophobic nanoparticles into water. By varying the composition of the emulsifiers the charge and charge density of the particle shell could be tuned. Furthermore, it was possible to decorate the particle shell with dye molecules which allowed cellular uptake studies of the colloids.