Supraparticles by drying droplets of colloidal suspensions on superhydrophobic surfaces

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung neuer Materialien durch die Selbstaggregation von Kolloiden in wässrigen Suspensionstropfen auf superhydrophoben (SH) Oberflächen beschrieben. Durch Eintrocknung, diese Tropfen als Templat nutzend, können Suprapartikel hergestellt werden, welche sich von der Oberfläche isolieren lassen. In zwei getrennten Projekten wurde die gezielte Strukturmanipulation hinsichtlich der Herstellung anisometrischer Suprapartikel, sowie die Verwendung von Suprapartikeln als Selbstbewegende Teilchen untersucht. Zur Herstellung anisometrischer Suprapartikel wird Fumed Silica (FS) als Strukturbildner verwendet. Durch Variation der Ionenstärke (I, NaCl) der Suspension, welche verschiedene Mengen an FS enthielt, konnte das resultierende Ausmaß der Anisometrie (A) in definierter Art und Weise kontrolliert werden, wobei A das Verhältnis der elliptischen Hauptachsenlängen beschreibt. Als Mechanismus wird eine hülleninduzierte Tropfendeformation vorgeschlagen, welche auf einem diffusionskontrollierten Prozess beruht. Hierbei werden aufgrund des Verdunstungsprozesses FS-Partikel an der Tropfengrenzfläche angereichert, was lokal die Viskosität in Abhängigkeit von I erhöht. Dies wird auch durch Experimente am Konfokalmikroskop (CLSM) und durch rheologische Untersuchungen bestätigt. Durch kinetische Untersuchung des Deformationsprozesses wird eine empirische Formel zur Vorhersage von A hergeleitet, basierend auf den Anfangskonzentrationen (FS, NaCl). Es erfolgt eine Optimierung der Herstellungsprozedur durch die Verwendung gebogener SH-Oberflächen, was den Eintrocknungsprozess beschleunigt und die räumliche Orientierung von A festlegt. Dies ermöglicht der Herstellung von anisometrischen „patchy particles“ durch Verwendung von zusätzlichen magnetischen Fe3O4-Nanopartikeln. Letztlich werden auch andere Kolloidmaterialen hinzugefügt, wie z.B. Polystyrolpartikel, um die Anwendbarkeit und Robustheit der Prozedur hinsichtlich neuer funktionaler anisometrischer Materialien zu demonstrieren. Mittels selbiger Herstellungsprozedur, werden selbstbewegende Suprapartikel hergestellt, welche sich im dreidimensionalen Raum bewegen. Hierzu werden Suspensionen monodisperser Silica Mikro-, sowie magnetischer Fe3O4@Pt-Katalysatorpartikel eingesetzt. Der Katalysator zersetzt das als chemischen Treibstoff verwendete Wasserstoffperoxid (H2O2) und formt Sauerstoffbläschen auf der Suprapartikeloberfläche, welche an der Luft-Wasser-Grenzfläche abgegeben werden können. Dies führt zu einer periodischen Erzeugung von Auftrieb, was zu einer sehr regelmäßigen, autonomen oszillierenden Bewegung, in vertikaler Ausrichtung, ähnlich der eines Aufzugs führt. Dieser Prozess wird hinsichtlich des Einflusses der Treibstoffkonzentration, sowie der Suprapartikeldichte untersucht, wobei letzteres durch das Hinzufügen von PS-latex Mikropartikeln erfolgt. Es erfolgt anschließend eine theoretische Beschreibung basierend auf einem reaktionskinetischem Model und eine Präsentation möglicher Anwendungen. Es wird gezeigt, wie durch Nutzung externer Magnetfelder die Trajektorie der Aufzugpartikel festgelegt werden kann. Zudem werden die Suprapartikel mit dem Enzym αAmylase oberflächenfunktionalisiert, was zu einer effektiven katalytischen Zersetzung des Iod-Stärke-Komplexes parallel zur autonomen Bewegung führt. Dies dient als Beweis zur perspektivischen Nutzung dieser Suprapartikel als intelligente Katalysatoren.