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Deposition and Growth of Various Nanomaterials at Nanostructured Interfaces

Bock, Eva

German Title: Anbindung und Wachstum verschiedenster Nanomaterialien auf nanostrukturierten Grenzflächen

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Abstract

The goal of this work is the deposition and growth of various nanoobjects on patterned surfaces. For this purpose, patterned surfaces function as a chemical template to direct the location and shape of the added nanoobjects. In particular, colloidal nanoparticles, viral particles and inorganic salts are used to assemble small structures along large areas of chemical surface patterns. The substrates for these assays are based on glass or silicon, which have been decorated with gold or platinum nanoparticles. These nanostructured substrates were obtained by block copolymer micelle nanolithography. The technology has been substantially improved for application to large-scale surface areas and optimum pattern quality. Here, the influence of trapped solvent vapor above the dipping solution on the thickness of the adsorbed polymer film was investigated. A higher amount of trapped vapor results in an increase of the lateral distance of the nanoparticles on the surface and a more reproducible pattern formation, which was shown by SEM analysis. Nanopatterned surfaces were then used as a chemical mosaic platform for the deposition and growth of different nanoobjects. CdSe-Au dumbbells, CoPt_3-Au heterodimers and Co-Au matchsticks were attached to gold nanoparticles which were deposited by block copolymer micelle nanolithography via a dithiol linker. The resulting patterns show a random orientation of the nanocrystals. The magnetic Co-Au matchsticks were additionally aligned in a magnetic field, resulting in an ordered surface. Furthermore, CdSe-Au dumbbells were immobilized by DNA assembly. Here, hybridization allowed for a controlled and reversible attachment of the nanocrystals on the surface. Direct assembly of spherical CdSe nanocrystals on a non-patterned surface was realized by block copolymer micelle nanolithography. Hydrophilic ligands enable the interaction between the nanocrystals as formed in organic solvents and the polar core of block copolymer micelles. Guided by the block copolymer micellar core the CdSe particles were hexagonally arranged on the substrate, with 3 or 4 particles being located in one micelle. The number of CdSe particles per micelle was investigated by electron and fluorescence microscopy and was found to be independent from the size of the polymer. In a solution-liquid-solid approach, CdSe rods and wires as well as Co rods were grown on the nanopatterned substrates. For the growth of the CdSe rods and wires, Au@Bi core shell particles on the surface were used as a catalyst. Interestingly, the Au@Bi core shell particles remained on the substrate while the tips of the wires were covered by the growth of bismuth. Layers of biotin modified cowpea mosaic viruses are formed on a biotin-doped lipid bilayer on a hydrophilic silicon oxide surface, connected by streptavidin. In quartz crystal microbalance studies, different biotin modifications were compared. The resulting films showed differences in their roughness and density. Thiol-modified streptavidin enabled the attachment of the virus nanoparticles to gold, where the resulting layer has the same density as on the lipid bilayer. In summary, nanostructured substrates are a versatile platform for the assembly of organic and inorganic nanoparticles as well as growth seeds for inorganic material. Several different methods to control the assembly of particles on a solid substrate were successfully investigated, demonstrating their potential for further application in nanotechnology.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist die Anbindung verschiedenster Materialien an chemisch strukturierte Oberflächen gewesen. Dabei wurden kolloidale Nanokristalle und Viren zum Aufbau komplexer Strukturen auf nanostrukturierten Oberflächen genutzt. Chemisch nanostrukturierte Oberflächen wurden mit Hilfe amphiphiler Blockcopolymere hergestellt. Diese Technologie wurde insbesondere für große Substratflächen und bezüglich der reproduzierbaren Qualität der entstehenden Oberflächenmuster optimiert. Hierbei zeigte sich, dass Lösungsmitteldämpfe, die sich über der Polymerlösung ansammeln, den Abstand zwischen den Nanopartikeln auf der Oberfläche und die Qualität der Oberflächenmuster wesentlich beeinflussen. Je mehr Dampf sich über der Polymerlösung ansammelt, desto weiter sind die Partikel auf der Oberfläche voneinander entfernt. Eine Erklärung hierfür ist eine Änderung der Oberflächenspannung der Polymerlösung durch den Dampf. Eine geringere Oberflächenspannung führt zu einem dünneren Polymerfilm, der sich auf der Oberfläche beim Eintauchen abscheidet. Dies wiederum führt zu größeren Abständen zwischen den Partikeln. Auf diese chemisch strukturierten Oberflächen wurden in der Folge kolloidale Nanokristalle und virale Partikel angebunden. Nanohanteln aus CdSe mit Goldbereichen an den Enden, Heterodimere aus CoPt_3 und Gold sowie Nanostreichhölzer aus Kobalt mit einem Kopf aus Gold wurden mit einem Dithiollinker an die Goldpunkte auf der Oberfläche angebunden. In AFM-Messungen konnte gezeigt werden, dass die Goldbereiche der Nanokristalle auf den Goldpartikeln der Oberfläche liegen. Die magnetischen Kobaltnanopartikel konnten zusätzlich in einem magnetischen Feld auf der Oberfläche ausgerichtet werden. Die CdSe-Goldnanohanteln wurden außerdem über DNA mit der Oberfläche verbunden. Durch die Hybridisierung von DNA-modifizierten Partikeln mit einer DNA-funktionalisierten Oberfläche erhält man eine reguläre Anordnung der Nanokristalle auf der Oberfläche. Um runde CdSe-Nanopartikeln auch ohne ein verknüpfendes Molekül auf einer Oberfläche anzuordnen, wurden die Liganden auf der Oberfläche des Nanopartikels ausgetauscht. Man erhält so hydrophile Partikel, die mit dem polaren Kern einer Mizelle aus Blockcopolymeren reagieren können. Aufgrund der Selbstorganisation der Blockcopolymermizellen organisierten sich die Partikel folglich in einer hexagonalen Anordnung. Im Elektronenmikroskop wurde sichtbar, dass sich jeweils drei oder vier Partikel in einer Mizelle befinden. Diese Zahl zeigte sich unabhängig von der Masse des verwendeten Polymers, was auch in Fluoreszenzmessungen bestätigt werden konnte. Stäbchen und Drähte aus CdSe und Kobaltstäbchen können auch direkt auf der Oberfläche hergestellt werden. Kern-Schale-Partikel mit einem Kern aus Gold und einer Hülle aus Wismuth können auf der Oberfläche hergestellt werden und dann als Ausgangspunkt für das Wachstum von CdSe-Stäbchen genutzt werden. Interessanterweise bilden die Wismuthhüllen die freien Enden der Drähte, während die Goldpartikel nach wie vor auf der Oberfläche zu finden sind. Mehrere Lagen aus viralen Nanopartikeln können kontrolliert auf einer Lipiddoppelschicht aufgebaut werden. Die Viren sind an ihrer Proteinhülle mit Biotin modifiziert und auch die Lipiddoppelschicht enhält Biotinmoleküle, so dass mit Hilfe von Streptavidin eine Anbindung erfolgen kann. In Quartzkristallmessungen kann die Rauigkeit der entstandenen Oberfläche in Zusammenhang gebracht werden mit der Anzahl an Biotinmolekülen auf der Oberfläche der Viren. Thiol-modifiziertes Streptavidin ermöglicht die Anbindung der Viren auch direkt auf einer Goldoberfläche, wobei sich die entstehende Schicht nicht von der auf der Lipiddoppelschicht unterscheidet. Nanostrukturierte Oberflächen können so auf vielfältige Weise genutzt werden, um Nanopartikel daran anzubinden. Verschiedene Methoden sind möglich, um sowohl organische wie auch anorganische Partikel anzuordnen. Die erhaltenen Strukturen stellen interessante Grundlagen für mögliche Anwendungen in der Nanotechnologie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim
Date of thesis defense: 17. October 2008
Date Deposited: 14. Jan 2009 09:52
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Nanodraht, Nanostruktur, Nanopartikel, Verbindungshalbleiter, Kolloider Halbleiter, Cowpea-Mosaik-Virus, Nanolithographie
Uncontrolled Keywords: CdSe-Nanokristalle , magnetische Co Nanokristalle , Block Copolymer Mizellare Nanolithographie , Virale NanopartikelCdSe nanocrystals , magnetic Co nanocrystals , block copolymer micellar nanolithography, viral nanoparticles
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