Multifunktionalisierung und Charakterisierung von Nanoporen mit Sensorpotential

Die Miniaturisierung auf nm-Skala spielt neben der Elektronikindustrie auch für Fragestellungen von Transport und Sensorik wie für das Konzept lab-on-a-chip eine wichtige Rolle. Ein bisher unerreichtes Vorbild in der Forschung und Herstellung von synthetischen Materialien mit nanoporösen Strukturen stellen beispielsweise Ionenkanäle dar, die mit ihrer komplexen Struktur und Funktionsweise den Transport von Ionen mit hoher Selektivität regulieren können. Eine große Herausforderung für die Nachahmung der Komplexität von biologischen Nanoporen, ist die Notwendigkeit mehrere Funktionalitäten gezielt in einer Nanopore an verschiedenen Positionen platzieren zu können. Gängige Funktionalisierungsstrategien für synthetische Nanoporen erlauben bisher nur zwei funktionelle Komponenten lokal zu platzieren. Die lokale Multifunktionalisierung von Nanoporen ist aber essentiell für einen hohen Grad an Kontrolle über Transport oder Porenzugänglichkeit für viele Anwendungen und sensorische Fragestellungen. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Modellkonzepts für die multifunktionale und lokale Funktionalisierung von Nanoporen. Auf Basis von orthogonaler Oberflächenchemie und Benetzungssteuerrung werden inverse kolloidale Monolagen mit Goldbeschichtung als Modellsystem mit drei unterschiedlichen Funktionalitäten versehen. In dem ersten Funktionalisierungsschritt wird selektiv die Silicaporenwand mit ringöffnender Metathesepolymerisation adressiert, um eine Hydrophobierung der Poren zu erzielen. Aufgrund der Hydrophobierung der Poren durch das Polymer kann im zweiten Schritt selektiv die äußere Goldoberfläche aus einer wässrigen Lösung funktionalisiert werden. Die Funktionalisierung erfolgt über Selbstassemblierung von Thiolen. In dem dritten und letzten Funktionalisierungsschritt können die inneren Goldoberflächen im Porenboden selektiv funktionalisiert werden, da die äußere Goldoberfläche bereits mit einer Monolage aus Thiolen bedeckt ist. Ein Polymerisationsinitiator mit Thiol-Endgruppe wird in Ethanol, das in die Pore eindringen kann, gelöst und über Selbstassemblierung auf den Porenboden eingebracht. Anschließend kann eine oberflächeninitiierte Polymerisation durchgeführt werden. Um sensorische Fragestellungen zu adressieren werden Schiffsche Basen als kolorimetrischer Chemosensor in nanoporösen Silicafilmen und für die Benetzungsschaltung von inversen Opalen untersucht. Für diesen Zweck werden unterschiedliche Schiffsche Basen synthetisiert und in Lösung hinsichtlich ihres sensorischen Potentials für unterschiedliche Metallkationen untersucht. Die vielversprechendsten Kandidaten werden mit Thiol-en-Klickchemie auf die nanoporösen Silicafilme angebunden und mit UV-Vis-Spektroskopie sowie Kontakwinkelmessungen untersucht. Für viele Anwendungen von Nanoporen spielen auch Diffusion von Molekülen oder Wassertransport eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit wird der Massentransport von redoxaktiven Testmolekülen durch mesoporöse Silicafilme quantitativ mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht, um den Ladungstransferwiderstand und den Diffusionskoeffizienten in Abhängigkeit der Benetzung und der Vorbehandlung zu bestimmen. Der Wassertransport durch mesoporöse Silicafilme kann mit Imbibition untersucht werden. Dazu werden die mesoporösen Silicafilmen mit Hilfe einer Photoiniferter-vermittelten Polymerisation mit einem Polyelektrolyten versehen, der mit Gegenionen der Hofmeister-Reihe wechselwirken kann. Die Messgröße ist die Imbibitionsstrecke in Abhängigkeit der Imbibitionszeit und erlaubt Rückschlüsse auf das Transportverhalten von Wasser in Abhängigkeit der Gegenionen, die die Konformation des Polyelektrolyten beeinflussen