Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Synthesis of Thermosensitive Colloidal Atoms Through Microgel-Pickering Emulsion

Månsson, Linda LU (2014) KEMR17 20141
Department of Chemistry
Abstract
The ability of microgels to adsorb to the interface of emulsion oil droplets has previously beenn reported in the literature.1 The resulting emulsions carry the thermoresponsiveness of the adsorbed microgels, and can be destabilized on demand by increasing the temperature above the volume phase transition temperature of the microgels. This thesis describes the synthesis and characterization of cross-linked poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and poly-N-isopropylmethacrylamide (PNIPMAM) microgels, either positively or negatively charged and fluorescently labeled through covalent incorporation of either fluorescein or rhodamine derivatives. The ability to adsorb to the oil-water interface of polydimethylsiloxane (PDMS) emulsion droplets was... (More)
The ability of microgels to adsorb to the interface of emulsion oil droplets has previously beenn reported in the literature.1 The resulting emulsions carry the thermoresponsiveness of the adsorbed microgels, and can be destabilized on demand by increasing the temperature above the volume phase transition temperature of the microgels. This thesis describes the synthesis and characterization of cross-linked poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and poly-N-isopropylmethacrylamide (PNIPMAM) microgels, either positively or negatively charged and fluorescently labeled through covalent incorporation of either fluorescein or rhodamine derivatives. The ability to adsorb to the oil-water interface of polydimethylsiloxane (PDMS) emulsion droplets was then studied with two of the synthesized microgels, green PNIPMAM and red PNIPAM, respectively, both positively charged. Envisioned was to form colloidal atoms with well-defined patches and thus a well-defined valency. Colloidal atoms can be used as building blocks for the construction of more advanced structures, colloidal molecules,2 with the patches directing the assembly process. Here, polydimethylsiloxane (PDMS) oil droplets were employed as anchors for microgels, which, due to the dependence of their size and interaction potential with temperature, may serve as tunable interaction sites. Aiming at forming colloidal atoms with well-defined patches, explored was the possibility to control the number of microgels adsorbed to the interface of oil droplets, this by limiting the droplet size and the surface area per droplet accessible for microgels to adsorb to. This was accomplished by mixing with microgel an emulsion of μm-sized PDMS oil droplets, prepared by polymerization of dimethyldiethoxysilane (DMDES) under basic catalysis by ammonia.3 Alternatively, microgel decoration of oil droplets was achieved by having the microgels present during the oil droplet synthesis. Microgel decoration of PDMS oil droplets was accomplished with both microgels independently, as well as both microgels simultaneously. Decoration with two microgels should offer the resulting decorated droplets the most interesting properties, considering that it now carries two different types of patches, both tunable with temperature, but with different transition temperatures. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Många processer i biologiska system utförs av maskinerier som är uppbyggda av molekyler av kolloidala dimensioner, d.v.s. i storleksordningen 1 μm till 1 nm, såsom proteiner. Dessa molekyler är ofta alldeles för komplexa till sin natur för att vi ska kunna förstå de “lagar” som styr hur de kommer samman för att bygga upp avancerade strukturer med biologisk funktion. I detta syfte behöver vi skapa enklare modellsystem som efterliknar de byggnadsprocesser vi vill studera. Så kallade ”fläckiga” kolloidala partiklar är exempel på sådana modellsystem. Även inom områden såsom materialvetenskap och kolloidbaserad nanoteknologi är dessa modellsystem viktiga. I detta projekt utnyttjades mikrogelers förmåga att anrikas i ytan av oljedroppar i en... (More)
Många processer i biologiska system utförs av maskinerier som är uppbyggda av molekyler av kolloidala dimensioner, d.v.s. i storleksordningen 1 μm till 1 nm, såsom proteiner. Dessa molekyler är ofta alldeles för komplexa till sin natur för att vi ska kunna förstå de “lagar” som styr hur de kommer samman för att bygga upp avancerade strukturer med biologisk funktion. I detta syfte behöver vi skapa enklare modellsystem som efterliknar de byggnadsprocesser vi vill studera. Så kallade ”fläckiga” kolloidala partiklar är exempel på sådana modellsystem. Även inom områden såsom materialvetenskap och kolloidbaserad nanoteknologi är dessa modellsystem viktiga. I detta projekt utnyttjades mikrogelers förmåga att anrikas i ytan av oljedroppar i en emulsion, detta med målet att skapa kolloidala partiklar med temperaturresponsiva “fläckar” (Fig. 1).
”Fläckiga” partiklar benämns ofta “kolloidala atomer”, då de i likhet med atomer har specifika bindingsställen. Genom interaktion mellan “fläckar” på olika kolloidala atomer kan mer avancerade strukturer, ”kolloidala molekyler”, byggas upp. Antalet bindningsställen, vilket är detsamma som antalet “fläckar”, bestämmer hur många interaktioner varje partikel kan delta i. Detta kallas för partikelns valens.
Mikrogeler, vattenfyllda kolloidala polymerpartiklar, är i dessa sammanhang särskilt passande som byggstenar. Mikrogeler är termoresponsiva, vilket innebär att de svarar på temperaturf
örändringar: vid rumstemperatur är gelpartiklarna “vattenälskande” och svullna, men då man överstiger en viss kritisk temperatur blir polymeren olöslig, och den nu vattenskyende gelpartikeln
krymper. Dessutom är de attraktiva krafter som verkar i riktning mot hopklumpning av gelpartiklarna större i det krympta tillståndet. Inte enbart mikrogelernas storlek, utan också attraktionen mellan dem kan således regleras med hjälp av temperaturen. Det följer att interaktionen mellan “fläckiga” partiklar, vars “fläckar” utgörs av mikrogeler, kan styras på samma
vis.
Detta projekt bestod av två delar. I dess första del tillverkades sex olika typer av mikrogeler. Skillnaden mellan de olika var valet av polymer, vilket påverkar den kritiska temperatur vid
vilken mikrogelen krymper, och laddning (positiv eller negativ). Mikrogelerna märktes med en fluorescerande molekyl, antingen rodamin (röd) eller fluorescein (grön). Detta möjliggjorde att
de kunde studeras i ett så kallat konfokalmikroskop, en typ av avancerat mikroskop som genom punktbelysning med laser och bortfiltrering av ljus som inte är i fokus, erbjuder högre upplösning
jämfört med ett vanligt mikroskop. I projektets andra del studerades adsorption, d.v.s. vidhäftning, av två av mikrogelerna, båda
positivt laddade men uppbyggda av olika polymerer och med olika färg, till ytan av negativt laddade oljedroppar av polydimetylsiloxan (PDMS) i en emulsion. Utmaningen var här att kontrollera antalet mikrogeler som adsorberar till varje oljedroppe, med andra ord att kunna styra antalet bindningsställen och partiklarnas valens. Detta kunde åstadkommas genom att begränsa dropparnas storlek och därmed den yta som är tillgänglig för gelpartiklarna att adsorbera till.
Med denna strategi tillverkades oljedroppar, ca 2 μm i diameter och på ytan dekorerade med ett tjugotal mikrogeler. Vi hoppas att framöver kunna reducera oljedropparnas storlek ytterligare
och därmed de “fläckiga” partiklarnas valens. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Månsson, Linda LU
supervisor
organization
course
KEMR17 20141
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
physical chemistry, fysikalisk kemi
language
English
id
4645591
date added to LUP
2014-09-12 16:32:49
date last changed
2014-09-12 16:32:49
@misc{4645591,
  abstract     = {{The ability of microgels to adsorb to the interface of emulsion oil droplets has previously beenn reported in the literature.1 The resulting emulsions carry the thermoresponsiveness of the adsorbed microgels, and can be destabilized on demand by increasing the temperature above the volume phase transition temperature of the microgels. This thesis describes the synthesis and characterization of cross-linked poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and poly-N-isopropylmethacrylamide (PNIPMAM) microgels, either positively or negatively charged and fluorescently labeled through covalent incorporation of either fluorescein or rhodamine derivatives. The ability to adsorb to the oil-water interface of polydimethylsiloxane (PDMS) emulsion droplets was then studied with two of the synthesized microgels, green PNIPMAM and red PNIPAM, respectively, both positively charged. Envisioned was to form colloidal atoms with well-defined patches and thus a well-defined valency. Colloidal atoms can be used as building blocks for the construction of more advanced structures, colloidal molecules,2 with the patches directing the assembly process. Here, polydimethylsiloxane (PDMS) oil droplets were employed as anchors for microgels, which, due to the dependence of their size and interaction potential with temperature, may serve as tunable interaction sites. Aiming at forming colloidal atoms with well-defined patches, explored was the possibility to control the number of microgels adsorbed to the interface of oil droplets, this by limiting the droplet size and the surface area per droplet accessible for microgels to adsorb to. This was accomplished by mixing with microgel an emulsion of μm-sized PDMS oil droplets, prepared by polymerization of dimethyldiethoxysilane (DMDES) under basic catalysis by ammonia.3 Alternatively, microgel decoration of oil droplets was achieved by having the microgels present during the oil droplet synthesis. Microgel decoration of PDMS oil droplets was accomplished with both microgels independently, as well as both microgels simultaneously. Decoration with two microgels should offer the resulting decorated droplets the most interesting properties, considering that it now carries two different types of patches, both tunable with temperature, but with different transition temperatures.}},
  author       = {{Månsson, Linda}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Synthesis of Thermosensitive Colloidal Atoms Through Microgel-Pickering Emulsion}},
  year         = {{2014}},
}