Droplet Assisted Growth and Shaping: A broadly applicable chemical synthesis method for in situ shaping of multiple nanostructures
Year: 2020
Type: dissertation
Abstract: The synthesis of SNFs depends on the formation of water droplets at the surface of the substrate which determine the shape of growing materials.The mechanism of droplet assisted growth and shaping (DAGS) was applied to non-silicone systems to synthesize 1D nanostructures.The DAGS method was for the first time applied to synthesize germanium oxide nanofilaments (GNFs), alumina nanofilaments (AlNFs) and mixed alumina-silicone based nanofilaments (Al-SiNFs).The influence of various reaction parameters as well as type of precursors on the synthesis of 1D nanostructures using DAGS chemistry have also been discussed in this work.This can be considered as a break-through since not only new types of nanostructures have been synthesized for the first time, but it also shows the very first time that the newly developed DAGS reaction mechanism is not silicone-specific, but a generally applicable pathway to chemically synthesize and in situ shape nano-and microparticles of different materials.The results presented here show that SNFs open a new avenue to develop coatings with tunable wetting properties as well as they have shown potential for biomineralization applications.The ease of fabrication in terms of room temperature processing and no liquid waste production, and the properties of SNFs in terms of water repellency, optical transparency, and chemical inertness make them to stand out from the known superhydrophobic coatings.In addition, the DAGS mechanism of synthesis has been extended to synthesize various 1D nanostructures, which show its universality and its potential to synthesis various nanomaterials using facile processing.vi Zusammenfassung Die Optimierung der Oberflächenstruktur einer Substanz durch Anpassung deren physikalischen, chemischen sowie mechanischen Eigenschaften gehört zu den wichtigsten Bereichen der Materialwissenschaft. Das Thema, welches vielfach auf enormes Interesse innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft stößt, ist die Kontrolle der physikalischen und chemischen Eigenschaften einer Oberfläche auf der Mikro-und Nanometerebene, um Oberflächen mit einzigartigen Funktionalitäten zu schaffen.Als Beispiel einer solchen Oberfläche ist die superhydrophobe Oberfläche zu erwähnen, welche einzigartige Benetzungseigenschaften durch geringe Oberflächenenergie und hohe Oberflächenrauigkeit aufweist.Die Idee zur Herstellung sogenannter superhydrophoben Oberflächen beruht auf der Natur selbst, wie zum Beispiel auf Lotusblättern oder Wasserläufern.In dieser Arbeit wird die Herstellung solcher superhydrophoben Oberflächen, deren Oberflächen-Modifikation sowie die Erweiterung ihrer Anwendungen thematisch behandelt.Für die Synthese wurde die chemische Gasphasenabscheidung von Silanen unter Umgebungsbedingungen von Temperatur und Druck eingesetzt.Die entwickelte Methode ermöglicht Beschichtungen mit minimalen Anforderungen an Verarbeitungsprozessen sowie Laborausrüstung.Die chemische Gasphasenabscheidung liefert eine dicke Beschichtung aus einem hochverstrickten Geflecht von Silikon-Nanofilamenten (SNFs).SNFs bestehen im Wesentlichen aus Polymethylsilsesquioxan mit einem Durchmesser im Bereich von 50-80 nm und einer Länge im Nanometer-bis Mikrometerbereich.Die so vorbereiteten Beschichtungen zeigen volle optische Transparenz und hohe wasserabweisende Wirkung.Der Beschichtungsprozess wurde für verschiedene Substrate wie Glas, Silizium, Polymer und Textil entwickelt, um die Anwendung superhydrophober Oberflächen für die Selbstreinigung, Wasserabweisung, sowie die Öl/Wasser-Trennung zu untersuchen.Die auf SNFs basierenden Beschichtungen wurden auch für biologische Anwendungen verwendet, bei denen die Oberfläche von Nanofilamenten durch Hydroxyl-, Carbonsäure-und Aminogruppen modifiziert wurde, um ihren Einfluss auf das biomimetische Wachstum von Hydroxylapatit für eine schnellere Knochenregeneration und -reparatur zu untersuchen.Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit auch die Ausdehnung der SNFs auf das Design intelligenter Materialien diskutiert, wobei Hybridbeschichtungen aus Silikon-Nanofilament-Kohlenstoff-Nanofasern durch einfache Tauchbeschichtung hergestellt wurden.Die vii vorbereiteten Beschichtungen wurden als multifunktionale Beschichtung aufgebracht, die eine extreme Wasserabweisung, elektrische Leitfähigkeit und Transparenz aufweisen.Zusätzlich wurde auch die Stabilität von multifunktionalen Beschichtungen unter extremen Bedingungen, wie hohe Luftfeuchtigkeit, Wasserlagerung und langfristige korrosive chemische Belastung, untersucht.Die Synthese von SNFs hängt von der Bildung von Wassertropfen auf der Oberfläche des Substrats ab, diese bestimmt die Form des wachsenden Materials.Der Mechanismus des tropfenunterstützten Wachstums und Formens (DAGS) wurde erstmals auf silikonfreie Systeme angewendet, um 1D-Nanostrukturen zu synthetisieren.Die DAGS-Methode wurde zur Synthese von Germaniumoxid-Nanofilamenten (GNFs), Aluminiumoxid-Nanofilamenten (AlNFs) und Aluminiumoxid-Silizium-Nanofilamenten (Al-SiNFs) eingesetzt.Der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter sowie Vorläufersubstanzen auf die Synthese von 1D-Nanostrukturen mittels DAGS-Chemie wird ebenfalls in dieser Arbeit diskutiert.Dies kann als Durchbruch in der chemischen Synthese betrachtet werden, da nicht nur neuartige Nanostrukturen hergestellt wurden, sondern die allgemeine Anwendbarkeit des DAGS-Mechanismus gezeigt wird, um Nano-und Mikrostrukturen unterschiedlicher Form und verschiedensten Materialien zu synthetisieren.Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass SNFs einen neuen Weg zur Entwicklung von Beschichtungen mit veränderbaren Benetzungseigenschaften eröffnen und das Potenzial für Biomineralisationsanwendungen aufgezeigt haben.Die einfache Herstellung in Bezug auf Raumtemperaturverarbeitung und Abwesenheit von Flüssigabfällen sowie die Eigenschaften der SNFs in Bezug auf Wasserabweisung, optische Transparenz und chemische Inaktivität heben sie von den bekannten superhydrophoben Beschichtungen ab.Darüber hinaus wurde der DAGS-Synthese-Mechanismus erweitert, um verschiedene 1D-Nanostrukturen zu synthetisieren, die ihre Universalität und ihr
DOI: 10.5167/uzh-198854
Author: Saddiqi, Naeem-ul-Hasan
Language: English
Subfield: Surfaces, Coatings and Films
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3128090798