6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere
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Multiphoton lithography (MPL) has recently attracted significant research interest as a versatile tool capable of fabricating 2D and 3D micro- and nanoscopic features with high spatial resolution. The integrity of MPL microstructures, or their ability to respond to external stimuli, is of critical importance. Often, the mechanically flexible micro-objects are expected to be capable of shape morphing, bending, or other motion to ensure their functionality. However, achieving the desired properties of MPL-manufactured micro components for a specific application still remains challenging.
In this work, we present new MPL materials based on epoxy-acrylate interpenetrating networks (IPNs). We aim at fabrication 3D microstructures, whose properties can be easily tuned by varying the ratio of the IPN components and fabrication parameters. The studied mixtures consist of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and cycloaliphatic epoxide functional groups. Consequently, tryarylsylfonium salt and cyclopentanone photoinitiator tailored for MPL were used to ensure cationic and radical polymerization, respectively. The resulting library of 3D microstructures was investigated for their thermal and mechanical properties using highly sensitive space-resolved methods. For the first time, we were able to evaluate the glass transition behavior of 3D MPL microstructures using fast scanning calorimetry. The influence of both IPN composition and fabrication parameters on glass transition temperature and material fragility was demonstrated. AFM force-distance curve and intermodulation methods were used to characterize the micromechanical properties with lateral resolution of the techniques in the range of 1 micron and 4 nm, respectively. The elastic-plastic behavior of the microarchitectures was evaluated and explained in terms of IPN morphology and thermal properties. The fabricated 3D IPN microstructures exhibit higher structural strength and integrity compared to PEGDA. In addition, IPNs exhibit high to full elastic recovery (up to 100%) with bulk modulus in the range of 4 to 6 MPa. This makes IPNs a good base material for modeling microstructures with intricate 3D designs for biomimetics and scaffold engineering.
The effects of composition and MPL microfabrication parameters on the resulting IPN properties give us a better understanding of the underlying mechanisms and microfabrication-structure-property relationships. Moreover, our funding supports the further development of IPN systems as versatile and easily tunable MPL materials.
Inspired by the chemistry of mussel adhesive proteins, polydopamine (PDA has been shown as one of the most versatile platforms for altering the properties and incorporating new functionalities to nearby any material surface despite its nature. Rich chemistry of PDA enables broad variety of surface modification and diverse secondary reactions that makes it extremely interesting for a wide range of application including biomedical field, e.g., drug delivery, adhesives, cell adhesion, biosensing. Despite high potential of polydopamine, the lack of deposition control and precision in existed methods limits their applications in microdevices and miniaturized functional systems like, for example, MEMS, microfluidic and sensorics.
Herein, we demonstrate a novel maskless approach for surface micropatterning with polydopamine based on Multiphoton Lithography that overcomes present limitations. Neither strong oxidants, metal ions nor adjustment of pH to alkaline is required by this technique. The spatial resolution down to 0.8 µm has been achieved which is at least an order of magnitude smaller than shown by other existed methods. We are able to control the morphology and thickness of the micropattern by altering fabrication parameters allowing structure gradient.
Apart from the glass substrate, we achieved PDA patterning at surfaces of different nature such as polychlorotrifluoroethylene, polydimethylsiloxane, polyethylene terephthalate, silicon wafers, and fluorinated glass coverslips. Post-modification of polydopamine micropatterns with protein enzyme like trypsin is demonstrated to highlight its sensing potential.
Presented in this work microfabrication technique empowers advanced applications of mussel-inspired materials in single-molecule bioassays, sensors and other complex microdevices.
Nach einer Übersicht zu den immer schneller aktualisierenden Rahmenbedingungen von Politik und Gesellschaft folgt eine Übersicht zu materialwissenschaftlichen Problemen des Recyclings von Kunststoffen. Lösungsansätze aus der Forschung reichen von einfacher Optimierung bis hin zur radikalen Neukonstruktion der polymeren Werkstoffe. Aus dem bereits möglichen Ansatz "performance-by-design" wird ein neuer Weg des "recycling-by-design" adressiert. Dies inkludiert methodisch eine skalenübergreifende Modellierung und die Depolarisation bis zum Monomer.
Nachdem Jahrzehnte die Grenzfläche zwischen Kohlefaser und Duroplastmatrix optimiert wurde liegt das Augenmerk heute auf der Polymermatrix selbst. Diese lässt sich hinsichtlich ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Bruchfestigkeit verbessern, indem Nanopartikel aus Böhmit (AlOOH) eindispergiert werden. Der Vortrag geht auf integrale und hochauflösend-bildgebende Methoden ein die ein Verständnis der komplexen Zusammenhänge ermöglichen. Nach einer chemischen in-situ Analyse des Aushärtvorgangs, aus welchem sich die Bedeutung der externer Parameter ablesen lässt, werden diverse hochauflösende, neue Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingeführt. Der lokalen Bestimmung des E-Moduls der Nanopartikel folgen Ausführungen zum temperaturabhängigen Chemismus des Böhmits, der während der Aushärtung Wasser freisetzt. Die hochauflösende Bestimmung der Oberflächenpotentiale, der Steifigkeit, der attraktiven Kräfte zwischen Spitze und Probe sowie der Energiedissipation im Kontakt stellen auf der Nanoskala eine komplexe Datenquelle dar, die auf der Makroskala einer Ergänzung bedarf: Durch Kombination von dynamisch-mechanisch-thermischer Analyse einerseits und Kartierung physikalischer Eigenschaften auf der Nanoskala andererseits kann der Zusammenhang zwischen chemischer Steuerung der Netzwerkbildung und den mechanischen Eigenschaften des Nanokomposits geklärt werden. Überraschend ist, dass bei geeigneter Steuerung der lokale E-Modul der Polymermatrix den des Füllstoffs übersteigt. Die Rissfortschrittsenergie wird in Böhmit-modifiziertem Epoxy verbessert absorbiert, die These dazu ist, dass die (010)-Gleitebenen, die nur durch Wasserstoffbrücken zusammen gehalten werden, einigermaßen schadlos geschert werden können. Daraus folgt, dass das System auf der Nanoskala über einen, wenn auch begrenzten, Selbstheilmechanismus verfügt. Zudem wird durch die hohe Heterogenität der Steifigkeit und Energiedissipation des Nanokomposits eine Risstrajektorie vielfach umgelenkt und somit früher gestoppt. Ergebnisse dieses Vortrags stammen aus einer Zusammenarbeit innerhalb des DFG-Forscherverbundes FOR2021 „Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau“.