Local dynamics and bending mechanics of mesostructured materials

Die vorliegende Arbeit behandelt die Anwendung der Rasterkraftmikroskopie auf die Untersuchung mesostrukturierter Materialien. Mesostrukturierte Materialien setzen sich aus einzelnen mesoskopen Bausteinen zusammen. Diese Untereinheiten bestimmen im Wesentlichen ihr charakteristisches Verhalten auf äußere mechanische oder elektrische Reize, weshalb diesen Materialien eine besondere Rolle in der Natur sowie im täglichen Leben zukommt. Ein genaues Verständnis der Selbstorganisation dieser Materialien und der Wechselwirkung der einzelnen Bausteine untereinander ist daher von essentieller Bedeutung zur Entwicklung neuer Synthesestrategien sowie zur Optimierung ihrer Materialeigenschaften. Die Charakterisierung dieser mesostrukturierten Materialien erfolgt üblicherweise mittels makroskopischer Analysemethoden wie der dielektrischen Breitbandspektroskopie, Thermogravimetrie sowie in Biegungsexperimenten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich diese Analysemethoden mit der Rasterkraftmikroskopie verbinden lassen, um mesostrukturierte Materialien zu untersuchen. Die Rasterkraftmikroskopie bietet die Möglichkeit, die Oberfläche eines Materials abzubilden und zusätzlich dazu seine quantitativen Eigenschaften, wie die mechanische Biegefestigkeit oder die dielektrische Relaxation, zu bestimmen. Die Übertragung makroskopischer Analyseverfahren auf den Nano- bzw. Mikrometermaßstab mittels der Rasterkraftmikroskopie erlaubt die Charakterisierung von räumlich sehr begrenzten Proben bzw. von Proben, die nur in einer sehr kleinen Menge (<10 mg) vorliegen. Darüberhinaus umfasst das Auflösungsvermögen eines Rasterkraftmikroskops, welche durch die Größe seines Federbalkens (50 µm) sowie seines Spitzenradius (5 nm) definiert ist, genau den Längenskalenbereich, der einzelne Atome mit der makroskopischen Welt verbindet, nämlich die Mesoskala. In dieser Arbeit werden Polymerfilme, kolloidale Nanofasern sowie Biomineralien ausführlicher untersucht.rnIm ersten Projekt werden mittels Rasterkraftmikroskopie dielektrische Spektren von mischbaren Polymerfilmen aufgenommen und mit ihrer lokalen Oberflächenstruktur korreliert. Im zweiten Projekt wird die Rasterkraftmikroskopie eingesetzt, um Biegeexperimente an kolloidalen Nanofasern durchzuführen und so ihre Brucheigenschaften genauer zu untersuchen. Im letzten Projekt findet diese Methode Anwendung bei der Charakterisierung der Biegeeigenschaften von Biomineralien. Des Weiteren erfolgt eine Analyse der organischen Zusammensetzung dieser Biomineralien. Alle diese Projekte demonstrieren die vielseitige Einsetzbarkeit der Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung mesostrukturierter Materialien. Die Korrelation ihrer mechanischen und dielektrischen Eigenschaften mit ihrer topographischen Beschaffenheit erlaubt ein tieferes Verständnis der mesoskopischen Materialien und ihres Verhaltens auf die Einwirkung äußerer Stimuli.rnThis thesis explores the applications of scanning probe microsocpy (SPM) in the study of mesostructured materials. Materials composed of mesoscopic building blocks are defined as mesostructured. A main feature of these materials is that their reaction to external stimuli, e.g. electric or mechanical, is controlled by building blocks that assemble in the mesoscopic regime. These materials play a central role in daily life applications and are found in nature. Knowledge of how mesostructured materials self-assemble and their building blocks interact is of fundamental importance in order to tune their properties and develop new synthesis schemes. Mesostructured materials are typically tested with macroscopic experiments, e.g. broadband dielectric spectroscopy (BDS), bending tests and thermal gravimetric analysis (TGA). In this thesis, ways to combine the main features of these testing experiments with SPM have been demonstrated and used to study mesostructured materials. SPM offers a unique way to image the surface and obtain quantitative properties of mesostructured materials, e.g. mechanical stiffness and dielectric relaxation. Expanding macroscopic testing experiments to the micro- and nanoscale with SPM allows the study of samples that are spatially reduced or prepared in small quantities (<10 mg). Furthermore, the dimensions of the SPM tip (5 nm) and cantilever (~50 µm) makes it an essential tool to cover the length scales that separate single atoms with our macroscopic world, i.e. the mesoscopic regime. Materials of interest throughout this work include polymer blends, colloidal nanofbers and biominerals. In a first project, SPM has been used to obtain dielectric spectra of a miscible polymer blend and correlate surface topography with the local spectra. In a second project, SPM has been used in order to perform bending experiments on colloidal nanofibers and study how they fracture. In a last project, SPM is used to study the bending properties and protein content of biominerals. All these projects demonstrate that SPM is a powerful tool for studying mesostructured materials. Quantitative information about mechanical or dielectric properties in correlation with topographical imaging, allows a deeper understanding of mesostructured materials and their reaction to external stimuli