• Keine Ergebnisse gefunden

Light scattering applied to self‐assembling systems

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Light scattering applied to self‐assembling systems"

Copied!
3
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Light scattering applied to self‐assembling systems 

 

Uncharged Systems 

Equilibrium 

Static and dynamic light scattering provide a unique tool to study the shape and size of systems on a  length scale ranging from 1 nm to several  µm. Light scattering techniques are non‐

evasive and can be used to learn about the  in situ structure of a system as it forms in  solvent, contrary to for example electron  microscopy or atomic force microscopy. We  applied  light  scattering  to  two  newly  developed  molecular  systems  that  were  designed  to  spontaneously  self‐organize  into a one‐dimensional structure: Ring‐coil  triblock  copolymers  [1]  and  dendron  rodcoil molecules [2]. Ring‐coil triblock copolymers consist of a rigid ring with two polymer coils  attached. When dissolved in a solvent that is a poor solvent for the ring but a good solvent for the  coils rodlike aggregates are supposed to form, as shown in Figure 1. Static light scattering on  solutions  of  ring‐coil  triblock  copolymers  in  cyclohexane 

indeed  shows  the  presence  of  rigid  rods  whose  length  increases with time and decreases with increasing molecular  weight  of  the  coils.  Dynamic  light  scattering  gives  a  hydrodynamic size of the aggregates and shows the presence  of unaggregated ring‐coil triblock copolymers. 

Dendron rodcoil molecules, on the other hand, comprise a  dendritic unit capable of forming hydrogen bonds, attached to  a rodcoil molecule. It is supposed that four dendron rodcoils  self‐assemble  into  a  tetramer  via  hydrogen  bonds.  The  tetramers then form a columnar structure with the tetramers  stitched along the column axis via additional hydrogen bonds. 

In this case, static light scattering shows the presence of  wormlike chains, with a persistence length of 45 nm [2]. 

For  both  systems  an  unexpected  discrepancy  appears: 

Dynamic light scattering indicates an aggregate size which is a  factor two larger than found with static light scattering. This  problem is the subject of ongoing research. 

Non‐Equilibrium 

Micellar and microemulsions systems change their shape with temperature and concentration. 

Therefore, they are also suitable model systems to study systematically non‐equilibrium effects, such  as the Soret effect. Sugar surfactants have frequently been used to study the dissolution and for‐

mation of biological membranes and the stabilization of proteins [3]. Among the nonionic sugar sur‐

factants n–Octyl –D–glucopyranoside has a fairly high critical micelle concentration (cmc). This  makes measurements below the cmc possible. The sugar surfactant molecules form spherical  micelles above the cmc, while below the cmc, the surfactant molecules in solution are in equilibrium  with those adsorbed at the water/air interface. Therefore, below the cmc we will observe the  thermal diffusion behavior of individual surfactant molecules, and above the cmc we additionally  

Fig.1: Schematic view of the Ring coil triblock copolymer which  are in equilibrium with formed aggregates 

Fig. 2: Schematic view of the aggregates  formed by the dendron‐rod‐coil tirblocks. 

Fig.1: Schematic view of the Ring coil triblock copolymer which  are in equilibrium with formed aggregates 

(2)

have a thermophoretic motion of the micelles. 

This might lead to a pronounced change of the  thermal  diffusion  or  Soret  coefficient,  because  above the cmc the interface between micelles and  solvent  is  mainly  determined  by  the  polar  headgroups of the sugar surfactant molecules.  

Figure 3 shows the measured Soret coefficient as  function of the concentration in the vicinity of the  cmc at 40 °C [3]. The slope of the concentration  dependence  of  the  Soret  coefficient  becomes  much steeper for concentrations above the cmc. 

Two  physical  reasons  are  responsible  for  the  observed behavior. The micelles are larger than  the single sugar surfactant molecules, which leads  to a slower diffusion and therefore to an increase  of the Soret coefficient. Additionally, the interface  interactions  between  the  solvent molecules  and  the  micelles  are  mainly  determined  by the  hydrophilic glucopyranoside headgroups and not anymore by the alkyl chains as below the cmc. The  obtained cmc values are in good agreement with the results from surface tension measurements. 

We also investigated the thermal diffusion behavior for higher surfactant concentrations [3]. For high  concentrations above w = 1.0 wt% the Soret coefficient decays almost linearly. By decreasing the  temperature this decay becomes steeper and the Soret coefficient becomes negative indicating that  the micelles enrich at the warm side. For the two highest temperatures of 30 °C and 40 °C we did not  observe a sign change in the investigated concentration range, but it is expected that it will occur at  higher concentrations.  

The decay of the Soret coefficient at high concentrations seems to be a typical phenomenon and has  also been found for polymer solutions and colloidal dispersions. For high concentrations the Soret  coefficient of the polymeric system shows an asymptotic scaling law with concentration ST = C0  C‐0.65,  whereas the exponent changes from  ‐0.65 to  ‐1 approaching the concentrated regime. For the  investigated sugar surfactant system the exponent is not temperature independent but decreases  from ‐0.42 to ‐1.44 with decreasing temperature.  

With this contact free method we are able to study the transport of biocompatibel materials in a  nonequilibrium environment caused by a temperature gradient. 

References: 

[1] S. Rosselli, A.‐D‐ Rammminger, T. Wagner, B. Silier, S.Wiegand, W.Häußler, G.Lieser, V.Scheumann  and S. Höger, Coil‐ring block copolymers as building blocks of hollow supramolecular cylindrical  brushes,  Angew. Chemie Int. Ed., 40 (2001), p.3138‐3141. 

[2] E.R. Zubarev, S.I. Stupp, Journal of Physical Chemistry B, A light scattering study of the self‐

assembly of dendron rodcoil molecules, B.J. de Gans, S. Wiegand, 106 (2002), p.9730‐9736. 

[3] Arlt, B., S. Datta, T. Sottmann, and S. Wiegand, Soret Effect of n-Octyl beta-D-Glucopyranoside C8G1 in Water around the Critical Micelle Concentration J. Phys. Chem. B 114(2010) 2118-2123.

 

Fig.  3: The Soret  coefficient ST at at 40  °C versus  concentration. All measurements have been performed  with the IR‐TDFRS without dye. The vertical line marks  the cmc. The solid lines are guides to the eye 

(3)

Charged Systems ‐Polyelectrolytes 

Recent numerical modelling and analytical theory support  earlier claims that attractive interactions between rodlike  macroions  of  the  same  charge  give  rise  to  complex  superstructures in aqueous solutions of polyelectrolytes. The  structures  arise  from  mutual  attractions  mediated  by  counterions which remain nonuniformly condensed near the  rod  surface.  Double‐helical  DNA  is  a  system  frequently  addressed  in  this context.  The implications  of attractive  forces between negatively charged DNA strands themselves  and  other  charged  biosystems  such  as  proteins  or  phospholipid membranes have been amply discussed (e. g. 

superfolding, creation of DNA vectors). 

The goal is to use a simple synthetic model system based on  poly(p‐phenylene)s  which  mimics  some  of  the  principle  phenomena governing interactions between biopolymeric  systems. The primary structure consists of a rigid poly(p‐

phenylene) backbone with sulfonate and n‐alkyl side‐groups  which together render the polyelectrolyte amphiphilic. In water it forms cylindrical micelles of  defined  radial  aggregation  number  with  a  negatively  charged 

surface on account of the sulfonate groups. These micelles undergo  further association to form lyotropic objects of internal nematic  order on the 500 nm length scale. The actual length depends on the  chain length and also on the counterion. 

Future  research  includes  the  investigation  of  the  influence  of  parameters as concentration, main chain length and counterion  valency as well as the length of the aliphatic side chains on the  structure formation. By comparison with simulation results a better  physical understanding of aggregation behavior should be achieved. 

 

References: 

 

[1] J. Belack, S. Wiegand, D. Vlassopoulos, G. Fytas, G. Wegner, Structure and Dynamics of a shape  persistent polyelectrolyte of the poly(para‐phenylene) type, manuscript prepared for submission to  Macromolecules. 

 

[2] J. Belack, A. delCampo, S. Wiegand,  G. Wegner, A. Janshoff, Observation of Secondary Structure  Formation of Amphiphilic Polyelectrolytes on Modified Silica Surfaces by Atomic Force Microscopy in  Aqueous Solution, manuscript prepared for submission to Langmuir. 

 

Fig. 5: Schematic view of the cylindrical  micelle formed by the poly(p‐phenylene)s. 

Fig. 6: AFM image of  poly(p‐

phenylene) micelle. 

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

The beautiful geometric theory of equilibrium figures due to Wavre (sec. 3.2) is particularly important: besides offering an essentially different derivation of Clairaut's

3.2 GEOMETRY OF EQUILIBRIUM SURFACES 65 actual earth is elose to a spherical stratification, so that Wavre's theorem, although theoretically applicable, is not

An ellipsoidal stratifieation is impossible for heterogeneous, rotationally symmetrie figures of equilibrium. We have tried to streamline it and to make every

Short-time self-diffusion: At small times, the tracer particle diffuses within local minima in the energy landscape set up by the rods, as depicted below.. Diffusion on this short

W e may, for example, be interested ir~ the range or interval within which a consequence will be contained with some given (and high) proba- b~lity. Obtavling

This paper focuses its attention on the centralconcep- tual issues of the field: the scientific nature of applied systems analysis, the search for standards of quality for

Fig. Self-diffusion coefficient of tin in the liquid Sn eutectic alloy as a function of temperature. Philibert, La Diffusion dans les Solides, Bibliotheque des Sciences et

For the binary liquid systems formic acid + acetic acid, formic acid + propionic acid, and acetic acid + propionic acid, we give the results of new calorimetric measurements of