Synthesising colloidal molecules with tunable interactions from soft responsive microgel particles
(2019)- Abstract
- Colloidal self-assembly is an attractive bottom-up approach to new superstructures and materials with new properties. However, the typical spherical shape and isotropic interaction potential limit the repertoire of ordered structures that can be obtained from synthetic colloids. In order to expand the repertoire of structures, much effort has over the last decades been directed towards the preparation of colloids with anisotropic shapes and interactions and a more complex organisation. In an effort to replicate the concepts of valency and directionality that control the number, position and orientation of neighbours in molecular systems, the colloidal analogues have been prepared through controlled clustering of spherical colloids.... (More)
- Colloidal self-assembly is an attractive bottom-up approach to new superstructures and materials with new properties. However, the typical spherical shape and isotropic interaction potential limit the repertoire of ordered structures that can be obtained from synthetic colloids. In order to expand the repertoire of structures, much effort has over the last decades been directed towards the preparation of colloids with anisotropic shapes and interactions and a more complex organisation. In an effort to replicate the concepts of valency and directionality that control the number, position and orientation of neighbours in molecular systems, the colloidal analogues have been prepared through controlled clustering of spherical colloids. However, as the lack of scientific publications in the field reveals, the typical charged hard sphere-nature of the constituent spheres - typically based on silica, polystyrene or poly(methyl methacrylate) - has made self-assembly of these so-called colloidal molecules difficult to control, resulting in jammed states where both translation and rotation are locked. The present thesis addresses this issue by reaching beyond classical electrostatic stabilisation, this by introducing poly(N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(N-isopropylmethacrylamide) (PNIPMAM) microgel-based colloidal molecules that allow for both the strength and the range of the interactions, as well as the volume fraction, to be conveniently tuned with salt concentration, pH and temperature for a more successful assembly. This thesis foremost concerns design and development of methods for assembling microgels into colloidal molecules, and demonstration of the temperature-tunable interactions. Altogether, these results represent important steps towards assembly of novel superstructures and materials, and moreover, towards new colloidal model systems that capture the anisotropy of, for example, biological colloids such as proteins. (Less)
- Abstract (Swedish)
- Kolloider, partiklar i storleksordningen en nanometer till en mikrometer, är inom materialvetenskapen attraktiva byggstenar vid konstruktion av olika material eftersom de spontant organiserar sig i periodiska strukturer. Till skillnad från biologiska kolloider såsom proteiner, röda blodkroppar, bakterier och virus, är de syntetiska kolloider som man har tillgång till inom materialvetenskapen i regel sfäriska, vilket tyvärr begränsar sätten på vilka de organiserar sig till endast en handfull simpla, tätpackade strukturer. Hur dessa strukturer är uppbyggda kan man enkelt föreställa sig om man drar paralleller till hur en frukthandlare staplar apelsiner: i en stabil stapel krävs det att apelsinerna tätpackats på ett sådant vis att varje... (More)
- Kolloider, partiklar i storleksordningen en nanometer till en mikrometer, är inom materialvetenskapen attraktiva byggstenar vid konstruktion av olika material eftersom de spontant organiserar sig i periodiska strukturer. Till skillnad från biologiska kolloider såsom proteiner, röda blodkroppar, bakterier och virus, är de syntetiska kolloider som man har tillgång till inom materialvetenskapen i regel sfäriska, vilket tyvärr begränsar sätten på vilka de organiserar sig till endast en handfull simpla, tätpackade strukturer. Hur dessa strukturer är uppbyggda kan man enkelt föreställa sig om man drar paralleller till hur en frukthandlare staplar apelsiner: i en stabil stapel krävs det att apelsinerna tätpackats på ett sådant vis att varje apelsin omges av sex apelsingrannar i planet och tre i vardera plan ovan och under. Det är vidare så att ett materials egenskaper i stor utsträckning bestäms av just kolloidernas organisation: ju mer avancerad strukturen är, desto mer avancerade är i regel materialets egenskaper. Eftersom det idag råder stor efterfrågan på material med allt mer sofistikerade egenskaper - till exempel mekaniska, elektroniska och, kanske framförallt, fotoniska sådana - så krävs det att vi utvecklar strategier för att påverka kolloidernas organisation. Det känns ganska naturligt att formen är det attribut hos kolloiderna som är mest rättframt att manipulera i detta syfte. Jämför bara hur en frukthandlare staplar apelsiner, bananer och päron.
En strategi för att erhålla icke-sfäriska kolloider är att använda sig av sfäriska kolloider som byggstenar för små kluster. Klustren, som förväntas organisera sig på mer avancerade vis än sfärer, kan sedan användas som en andra generationens byggstenar för ett nytt material. Vid tillverkningen av dessa kluster har man försökt efterlikna formen hos molekyler, som är mycket mer komplexa när det kommer till organisation än sfäriska kolloider (och apelsiner). Ett kluster bestående av två sfärer liknar exempelvis en syremolekyl, ett kluster av tre en ozonmolekyl och ett kluster av fyra en metanmolekyl. Dessa molekylliknande kluster går ofta under benämningen kolloidala molekyler.
Trots att det i den vetenskapliga litteraturen finns flera exempel på kolloidala molekyler så har man inte, med dessa som byggstenar, med någon framgång lyckats skapa de periodiska strukturer som är målet. Istället bildas oönskade, oregelbundna aggregat eller amorfa strukturer då de kolloidala molekylerna organiserar sig. Detta problem är relaterat till de kolloidala molekylernas komplexa form och svårigheten att kontrollera de interaktioner, den dragningskraft, som råder dem emellan. Sådana interaktioner kan vara antingen attraktiva eller repulsiva till sin natur, beroende på om kolloiderna dras till varandra eller stöter bort varandra.
Genom denna avhandling lägger vi fram mikrogelbaserade kolloidala molekyler som en lösning på detta problem. Mikrogeler är sfäriska, vattensvullna polymerkolloider med sådana egenskaper att naturen - huruvida attraktion eller repulsion dominerar - och styrkan i deras interaktioner, samt avstånden på vilka dessa verkar, enkelt och bekvämt kan styras med hjälp av temperaturen. Genom att konstruera kolloidala molekyler från mikrogeler kan interaktionerna styras via temperaturen också på denna nivå. Förmågan att kontrollera interaktionerna då de kolloidala molekylerna organiserar sig menar vi kommer att spela en avgörande roll för framgången med vilken nya material skapas i framtiden.
I denna bok beskrivs tre olika metoder som vi utvecklat för att framställa mikrogelbaserade kolloidala molekyler, och vi visar att interaktionerna mellan dessa kolloidala molekyler verkligen kan styras med hjälp av temperaturen. Eftersom varje ingående mikrogel i en kolloidal molekyl kan betraktas som en interaktionspunt med förmågan att interagera med motsvarande punkter hos omgivande kolloidala molekyler, utgör den forskning som presenteras i denna bok ett viktigt steg mot att i framtiden kunna kontrollera antalet grannar, samt dess positioner, i en periodisk struktur, vilket är ett sedan länge eftersträvat mål inom materialvetenskapen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/e05f061d-5c13-4552-9e27-d7d78c5367f4
- author
- Månsson, Linda LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Karg, Matthias, Heinrich Heine University Düsseldorf, Germany
- organization
- publishing date
- 2019
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- microgels, polymers, colloids, colloidal synthesis, self-assembly, material scaince, confocal microscopy, light scattering, microgels, polymers, colloids, colloidal synthesis, self-assembly, material science, confocal microscopy, light scattering
- pages
- 225 pages
- publisher
- Media-Tryck, Lund University, Sweden
- defense location
- Lecture hall B, Kemicentrum, Naturvetarvägen 14, Lund
- defense date
- 2019-05-03 10:15:00
- ISBN
- 978-91-7422-621-8
- 978-91-7422-620-1
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- e05f061d-5c13-4552-9e27-d7d78c5367f4
- date added to LUP
- 2019-03-29 11:57:11
- date last changed
- 2019-04-24 19:33:01
@phdthesis{e05f061d-5c13-4552-9e27-d7d78c5367f4,
abstract = {{Colloidal self-assembly is an attractive bottom-up approach to new superstructures and materials with new properties. However, the typical spherical shape and isotropic interaction potential limit the repertoire of ordered structures that can be obtained from synthetic colloids. In order to expand the repertoire of structures, much effort has over the last decades been directed towards the preparation of colloids with anisotropic shapes and interactions and a more complex organisation. In an effort to replicate the concepts of valency and directionality that control the number, position and orientation of neighbours in molecular systems, the colloidal analogues have been prepared through controlled clustering of spherical colloids. However, as the lack of scientific publications in the field reveals, the typical charged hard sphere-nature of the constituent spheres - typically based on silica, polystyrene or poly(methyl methacrylate) - has made self-assembly of these so-called colloidal molecules difficult to control, resulting in jammed states where both translation and rotation are locked. The present thesis addresses this issue by reaching beyond classical electrostatic stabilisation, this by introducing poly(N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(N-isopropylmethacrylamide) (PNIPMAM) microgel-based colloidal molecules that allow for both the strength and the range of the interactions, as well as the volume fraction, to be conveniently tuned with salt concentration, pH and temperature for a more successful assembly. This thesis foremost concerns design and development of methods for assembling microgels into colloidal molecules, and demonstration of the temperature-tunable interactions. Altogether, these results represent important steps towards assembly of novel superstructures and materials, and moreover, towards new colloidal model systems that capture the anisotropy of, for example, biological colloids such as proteins.}},
author = {{Månsson, Linda}},
isbn = {{978-91-7422-621-8}},
keywords = {{microgels; polymers; colloids; colloidal synthesis; self-assembly; material scaince; confocal microscopy; light scattering; microgels; polymers; colloids; colloidal synthesis; self-assembly; material science; confocal microscopy; light scattering}},
language = {{eng}},
publisher = {{Media-Tryck, Lund University, Sweden}},
school = {{Lund University}},
title = {{Synthesising colloidal molecules with tunable interactions from soft responsive microgel particles}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/62311900/Spik_Linda_kappan.pdf}},
year = {{2019}},
}