title: Bioinspired adsorption of particles: Polyelectrolyte multilayers on structured substrates
title: Bioinspirierte Partikeladsorption: Polyelektrolyt-Multilayer auf strukturierten Substraten
Creators: name: Große, Xenia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Struktur
layer-by-layer
Chemie
Oberfläche
Beschichtung
bioinspiriert
Polyaminosäuren
Nachahmung
Polyelektrolyt

description: Pollen sind in der Lage auf ihren
      Oberflächen Feinstaub zu fixieren. Diesem natürlichen Vorbild
      folgend war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung
      verschiedener Polyelektrolyt-Multilayer (PEM) auf glatten und
      strukturierten Substraten zur Erforschung der Korrelation von
      Oberflächeneigenschaften und spezifischem
      Partikeladsorptions-Potenzial. Die Strategie konzentrierte
      sich auf zwei Aspekte: Oberflächenchemie und
      Oberflächentopographie. Es wurden bekannte und neue
      Multischichten (16-lagig) durch Layer-by-Layer Anlagerung
      gegensätzlich geladener Polyelektrolyte mittels dippen
      hauptsächlich auf glatten und in Streifen strukturierten
      Silizium-Substraten hergestellt und erstmals umfassend
      charakterisiert. Die hierbei eingesetzten
      Polyelektrolyt-Kombinationen aus,
      Poly(L-lysin)/Poly(L-glutaminsäure),
      Poly(allylamin)/Poly(L-glutaminsäure) und
      Poly(L-histidin)/Poly(L-glutaminsäure), basieren auf
      ermittelten Funktionalitäten an adhäsiven Pollenoberflächen.
      Die Struktur dieser Oberflächen ist Vorbild der
      strukturierten Substrate, wobei die Etablierung einer
      aussagekräftigen Kombination analytischer Methoden von
      nm-Beschichtungen auf µm-Strukturen insbesondere an den
      Strukturstufen einen Kern dieser Arbeit darstellt. Hierzu
      wurden vergleichende Messungen mittels Energy dispersive
      X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy,
      Infrarotspektroskopie, Ellipsometrie, X-ray reflectometry,
      Atomic force microscopy, Rasterelektronenmikroskopie,
      Kontaktwinkel-, Strömungsstrom- und
      Strömungspotenzial-Messungen durchgeführt. Eine Auswirkung
      der µm-Substratstrukturen auf die in allen Fällen
      flächenhomogenen und morphologisch reproduzierbaren
      Beschichtungen im Vergleich zu glatten Substraten konnte
      weder für die Topographie noch für Rauigkeit oder die
      Schichtdicke festgestellt werden. Es wurden keine Anhäufungen
      oder Löcher in der Beschichtung an Strukturstufen gefunden.
      Die Untersuchungen der Topographie zeigen eine
      Polyelektrolytabhängigkeit der stets statistisch verteilten
      und rundlichen Feinstrukturen der PEM, die sich auf die
      random coil Anordung der Polyelektrolyte gründet. Für die
      (PLL/PGA)8-Beschichtung entsprach die Feinstruktur kleinen
      Erhöhungen im 20 nm-Bereich aus einer relativ geschlossenen
      Unterschicht, die der (PAH/PGA)8-Beschichtung zeigte einen
      spinnennetz-artigen Überwurf und Erhöhungen um die 60 nm und
      die (PLH/PGA)8-Beschichtung wies eine sehr glatte und
      geschlossene Schicht mit Kügelchen im 5 nm-Bereich auf,
      welche teilweise eine Art Agglomerat formten. Dies stellt
      eine bis dahin unbekannte Oberflächentopographie dar. Eine
      Entstehung der Feinstrukturen aus Verunreinigungen oder
      Absättigungseffekten konnte ausgeschlossen werden und die
      feste Verankerung der Erhöhungen mit der Unterschicht wurde
      in allen Fällen nachgewiesen. Die gemittelten über optische
      und physikalische-Methoden bestimmten Schichtdicken von 37 nm
      ±2 nm für (PLL/PGA)8, 75 nm ±14 nm für (PAH/PGA)8 und 17 nm
      ±1 nm für (PLH/PGA)8 sind vergleichsweise dünn, aber gut
      reproduzierbar, homogen und korrelieren mit dem
      Schichtwachstum. Dieser erfolgte beschichtungsabhängig in
      Lösung und trocken exponentiell, stärker exponentiell oder
      linear und mit chemisch unveränderten Komponenten. In keinem
      Fall konnten optisch, physikalisch oder chemisch definierte
      Layer-Grenzen innerhalb der Beschichtungen erhalten werden.
      Die Ergebnisse von ersten Luftstrom-Stabilitätstests und
      Adhäsionstests zeigen, dass alle getesteten Beschichtungen
      für die angedachte Anwendung in spezialisierten
      „Filter-Systemen“ stabil und adhäsiv gegenüber sphärischem
      Kohlenstoff sind, wobei eine ausgeprägte Misch-Beschichtung
      vorteilhaft scheint. Die industriell kostengünstig
      herrstellbaren PEM stellen folglich eine gute Beschichtung
      für strukturierte Substrate in spezialisierten
      „Filter-Systemen“ dar und zukünftige Arbeiten werden sich auf
      Substratstruktur-Einflüsse und Adhäsionsverhalten
      konzentrieren.
description: Pollen accumulates small particles
      like fine dust on their surface. Following this principle,
      different polyelectrolyte multilayers on flat and linearly
      structured silicon wafers were analysed in this thesis for
      the correlation of surface structure and the potential to
      immobilize particles. The strategic approach focuses on both
      topological and chemical aspects of the obtained surfaces.
      Novel and established multilayers (16 layers) were assembled
      on the flat and structured silicon surfaces by the
      layer-by-layer approach by dipping in oppositely-charged
      polyelectrolytes and were subsequently characterised.
      Utilised polyelectrolyte combinations of
      poly(L-lysine)/poly(L-glutamic acid), poly(allylamine)/
      poly(L-glutamic acid) and poly(L-histidine)/poly(L-glutamic
      acid) were chosen upon the occurrence of similar surface
      functionality as pollen. The design of structures in the
      silicon substrates was inspired by pollen as well. A core
      problem in this project was the essential analysis of
      nm-sized coatings upon µm-sized substrates. A combination of
      energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron
      spectroscopy, infrared spectroscopy, ellipsometry, X-ray
      reflectometry, atomic force microscopy, electron microscopy,
      as well as contact angle, streaming current and streaming
      potential measurements was applied to resolve these
      fundamental aspects. The structured substrates did not affect
      the coatings with respect to homogeneity and morphological
      reproduciblity in any observable way in all experiments. No
      difference in topology, roughness or the multilayer thickness
      occurred in comparison to multilayers on flat coatings and
      the structural transitions did not cause accumulations or
      holes in the coatings. Remarkably, topological differences
      were observed for the multilayer compositions: (PLL/PGA)8
      provides 20 nm protrusions from a closed bottom layer,
      (PAH/PGA)8 results in a netlike surface structure with
      elevations up to 60 nm, whilst (PLH/PGA)8 shows globular
      shapes of 5 nm, partly in agglomerated form embedded in a
      conformal bottom laye. The latter provides a not yet reported
      surface topology. The occurrence of these tightly bound round
      structures can in all cases be explained by the random coil
      structure of the applied components. Effects of impurities
      and/or saturation effects could be ruled out during analyses.
      The resulting layer thickness obtained by physical and
      optical methods was found to be comparably thin with 37 nm ±2
      nm for (PLL/PGA)8, 75 nm ±14 nm for (PAH/PGA)8 and 17 nm ±1
      nm for (PLL/PGA)8. Coatings were highly reproducible,
      homogeneous and the thickness correlated with the growth
      type. Exponential, stronger exponential and linear behaviour
      was observed respectively upon analysis in solution and in
      dry state. Nevertheless, no real layer boundaries could be
      defined by optical, chemical or physical means. Based on
      preliminary stability-in-air and adhesion tests all coatings
      show sufficient stability and adhesiveness for spherical
      carbon for the potential application in customised filters.
      Mixed coatings seem to provide preferable properties here. In
      conclusion, the industrially accessible, cheap
      polyelectrolyte multilayers seem to provide an excellent
      coating for structured substrates as a basis for customised
      filters. Future investigations will be performed on a library
      of substrate structures to access their influence on
      adhesion.