Titelaufnahme

Titel
Self-assembly, hierarchical structure and mechanical properties of (organo-)silica monoliths / Christina Fritscher
VerfasserFritscher, Christina
Begutachter / BegutachterinLichtenegger, Helga ; Hüsing, Nicola
Erschienen2008
UmfangIX, 162 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Mesoporöse Materialien / Selbstorganisation / Hierarchische Struktur / Sol-Gel / Lyotrope Flüssigkristalline Phasen
Schlagwörter (EN)Mesoporous Materials / Self-assembly / Hierarchical Structure / Sol-Gel / Lyotropic Liquid Crystalline Phases
Schlagwörter (GND)Siliciumorganische Verbindungen / Nanoporöser Stoff / Selbstorganisation / Mechanische Eigenschaft / Synchrotron / Kleinwinkelstreuung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-23891 Persistent Identifier (URN)
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Self-assembly, hierarchical structure and mechanical properties of (organo-)silica monoliths [5.87 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel dieser Arbeit war, die Selbstorganisation in mesostrukturierten, lyotropen flüssigkristallinen Tensid/Wasser- sowie Tensid/Wasser/Silica-Precursor-Mischungen zu untersuchen und die mechanischen Eigenschaften der resultierenden hierarchisch strukturierten (Organo-)Silica-Materialien zu bestimmen.

Ordnungsprozesse wurden mit Hilfe von Synchrotron-Röntgenkleinwinkelstreuung zeitaufgelöst gemessen. Amphiphile Moleküle wie Tenside oder Blockcopolymere organisieren sich in geeigneten Lösungsmitteln zu sogenannten Mesophasen. Diese finden weithin Anwendung in der Herstellung von biomimetisch inspirierten Werkstoffen. Die Ausrichtung der Domänen in den Mesophasen erlaubt eine zusätzliche Kontrolle in der Herstellung von Nanomaterialien. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Magnetfeldern und Oberflächeneffekten auf die Selbstorganisation von amphiphilen Molekühlen in Heiz- und Kühlzyklen beschrieben. Weiters wurden verschiedene, teils polymerisierbare Moleküle auf ihre Fähigkeit hin untersucht, in wässriger Phase geordnete Strukturen auszubilden. Das spätere Vernetzen der organischen Phase erlaubt die (relativ) einfache Herstellung von Nanokomposit-Materialien mit einer hohen strukturellen Ordnung der Bauelemente auf Nanometerebene.

Eine wichtige Anwendung finden amphiphile Moleküle als Struktur gebende Template in der Sol-Gel-Synthese. Die resultierenden periodisch mesoporösen Materialien finden bereits vielfältige Anwendungen in der Industrie, wie z.B. in der Chromatographie oder in der Katalyse. Zumeist werden Filme oder Pulver hergestellt. Die Synthese von monolithischem Material ist noch immer die Ausnahme, verspricht jedoch eine Erweiterung des Anwendungsfensters dieser Materialien besonders im ,Life-Science'-Bereich. Glykolmodifizierte Silica-Vorstufen ermöglichen aufgrund ihrer guten Verträglichkeit mit flüssigkristallinen Templaten die Fabrikation von monolithischem Material mit hoch geordneten Mesoporen. Zusätzlich zu der Strukturierung auf Nanometerebene entsteht während der Synthese mit einem auf Polyethylenoxid basierendem Blockcopolymer durch Phasenseparation eine komplexe Makromorphologie. In-situ Untersuchungen mithilfe von Synchrotron-Röntgenkleinwinkelstreuung erlauben Rückschlüsse auf die Formationsmechanismen sowohl auf der Nanometerebene, als auch auf der Mikrometerebene. Die hier beschriebenen Experimente ergänzen die bisher in der Literatur veröffentlichten Studien, die bis auf wenige Ausnahmen an Filmen und Pulvern durchgeführt wurden, um einen Syntheseweg mit vorgeformter flüssigkristalliner Phase.

Wie in dieser Arbeit nachgewiesen wird, handelt es sich hier trotz alledem nicht um einen ,True liquid crystal templating'-Prozess, bei dem eine flüssigkristalline Mesophase 1:1 abgeformt wird. Die Experimente zeigen, dass nach der Zugabe des Precursors bis zur Gelierung kooperative Umordnungsprozesse stattfinden. Neben der Ethylenglykol-modifizierten Silica-Vorstufe wurde zum Vergleich auch ein Ethylenglykol-modifizierter, phenylverbrückter Precursor untersucht.

Mit dem zunehmenden Interesse an mesoporösen monolithischen Materialien steigt auch das Interesse an deren mechanischen Eigenschaften.

Druckversuche und instrumentierte Härteprüfungsuntersuchungen wurden an rein anorganischen und an phenylverbrückten monolithischen (Organo-)Silica-Gelen durchgeführt und verglichen.

Die bisherigen Versuche, mesoporöse Materialien makroskopisch zu strukturieren, beschränken sich zumeist auf einfache Formen, die durch den jeweiligen Probenbehälter bestimmt werden. Im letzten Kapitel wird beschrieben, wie unter Verwendung neuer Photopolymere mithilfe von Rapid Prototyping nahezu beliebig strukturierte, lösliche Gussformen hergestellt werden können. Die polymerischen Gussformen können im Anschluss an den Sol-Gel-Prozess problemlos bei Raumtemperatur entfernt werden. Daher eignet sich das Verfahren dazu, Hybridmaterialien, wie z.B. organisch verbrückte Silica-Materialien mit einer komplexen Architektur auf der Millimeter- bis Centimeter-Ebene zu erzeugen.

Zusammenfassung (Englisch)

The aim of this work was to investigate the self-assembly process in mesostructured lyotropic liquid crystalline surfactant/water and surfactant/water/silica precursor mixtures and to determine the mechanical properties of the resulting hierarchically structured (organo )silica materials. Ordering processes were measured in-situ using synchrotron small angle X-ray scattering. Amphiphilic molecules such as surfactants and block copolymers self-assemble in suitable solvents to so-called mesophases, which are widely used in the design of biomimetically inspired materials. The orientation of the mesophase domains provides additional control in the fabrication of nanomaterials. Part of this work deals with the influence of magnetic fields and surface effects on reordering of amphiphilic molecules during heating and cooling cycles. Additionally, various, partly polymerizable molecules were examined with regard to their ability to form ordered structures in aqueous media. Later crosslinking of the organic phase allows the (relatively) easy fabrication of nanocomposites of high structural order of the building blocks at the nanometer scale.

An important application of amphiphilic molecules is their use as structure-directing agents in sol-gel synthesis. The resulting periodically ordered mesoporous materials are already widely used in industry, e.g., in chromatography or catalysis. Currently, mostly films and powders are being produced. The synthesis of monolithic material is still the exception, but significantly widens the possible applications within the area of the life sciences.

Due to their good compatibility with liquid crystal templates, glycol-modified silica precursors allow the fabrication of monolithic material with highly ordered periodic mesopores. In addition to the structuring on the mesoscale, polyethylene oxide based block copolymers lead to a phase separation during synthesis resulting in complex macromorphologies. In-situ synchrotron small angle X-ray scattering experiments give clues on the formation mechanism on the nanometer (meso-)scale as well as on the micrometer scale. The experiments performed in this work provide information on the structure formation mechanism in the presence of pre-assembled liquid crystal templates, adding to the studies previously described in literature, which mostly describe the formation mechanism for films and powders. Nevertheless, as will be shown in the thesis, the synthesis still does not account for a 'True liquid crystal templating' route. The resulting structure of the (organo-)silica materials is not a 1:1 replica of the employed liquid crystalline template, but evolves due to a cooperative reordering of the molecules after the addition of the precursor. Structure evolution was investigated for the ethylene glycol-modified silane and a phenylene-bridged ethylene glycol-modified precursor.

With growing interest in periodically ordered mesoporous (organo-)silica monoliths, the need for information on the mechanical properties of these complex materials increases, as well. Compression and instrumented indentation tests were performed on pure inorganic and phenylene-bridged monolithic samples.

Up to now, the structure of mesoporous silica monoliths on the macroscale were more or less restricted to simple shapes, determined by the sample container in which gelation took place. The last part of this work deals with the fabrication of sacrificial molds of complex design by means by rapid prototyping, using new soluble resins. Since these photopolymeric molds are easily removed at room temperature after gelation, the process is very well suited for the production of hybrid (e.g. organically-bridged silica) materials with a complex architecture on the millimeter and centimeter scale.