Struktur und molekulare Dynamik von ultra-dünnen Filmen molekular mischbarer Polymere

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Schönhals
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 124846229

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Vorhaben zielte auf einen grundlegenden Erkenntnisgewinn zum Verständnis der Struktur-/Eigenschafts-Beziehungen speziell des Glasübergangsverhaltens von ultra-dünnen Schichten aus molekular mischbaren Polymeren. Der Ansatz, polymere Mischungen (Blends) zu betrachten, war zur Antragstellung neuartig, Literaturergebnisse hierzu lagen kaum vor. Der Glasübergang von ultra-dünnen Filmen aus Homopolymeren wird zurzeit in der Literatur kontrovers diskutiert. Er wird sowohl von der Polymer/Substrat-Wechselwirkung als auch durch die Filmdicke wesentlich und teilweise gegenläufig beeinflusst. Deshalb wurde eine konsequente Kopplung von oberflächenanalytischen (AFM, Kontaktwinkelmessungen, XPS) mit volumensensitiven Verfahren (dielektrische Spektroskopie, spezifische Wärmespektroskopie) durchgeführt, um Wechselwirkungs- und Confinementeffekte zu trennen. Der Vergleich der verschiedenen Methoden wird für Proben durchgeführt, die auf identische Art und Weise präpariert wurden. Bei den durchgeführten Experimenten wurden zunächst in einem ersten Projektschritt die korrespondierenden Homopolymere wie Poly(2-vinlypyridine) und Poly(vinyl methylether) (PVME) untersucht. Diese Arbeiten dienten auf der einen Seite der Verbesserung der methodischen Herangehensweise und der Etablierung neuer Methoden, wie der Ellipsometrie, der Einführung von nanostrukturierten Elektrodensystemen in der dielektrischen Spektroskopie und der Etablierung der Solvent Leaching Technik. Auf der anderen Seite wurden aber auch grundlegende neue Erkenntnisse gewonnen, wie zur molekularen Dynamik eines Layers, der am Substrat irreversibel adsorbiert ist. Im zweiten Teil der Projektarbeiten wurde im Detail das Blendsystem PVME/PS (25 wt% / 75 wt%) untersucht und mit korrespondierendem System mit der Zusammensetzung PVME/PS (50 wt% /wt%) verglichen. Die erhalten Ergebnisse werden im Bericht exemplarisch an zwei Beispielen diskutiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Calorimetric evidence for a mobile surface layer in ultrathin polymeric films: poly(2-vinyl pyridine). Soft Matter 11 (2015) 7942-7952
  Madkour, S.; Yin, H.; Füllbrandt, M.; Schönhals, A.
  
• Decoupling of dynamic and thermal glass transition in thin films of a PVME/PS blend. ACS Macro Letters 6 (2017) 1156-1161
  Madkour, S.; Szymoniak, P.; Hertwig, A.; Heidari, M.; von Klitzing, R., Napolitano, S.; Sferrazza, M.; Schönhals, A.
  
• Unexpected behavior of ultra-thin films of blends of polystyrene/poly(vinyl methyl ether) studied by specific heat spectroscopy. Journal Chemical Physics 146 (2017) 203321
  Madkour, S., Szymoniak, P.; Schick, C.; Schönhals, A.
  
• Unraveling the dynamics of nanoscopically confined PVME in thin films of a miscible PVME/PS blend. ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 37289–37299
  Madkour, S.; Szymoniak, P.; Radnik, J.; Schönhals, A.
  
• Unveiling the dynamics of self-assembled layers of thin films of poly(vinyl methyl ether) (PVME) by nanosized relaxation spectroscopy. ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 7535-7546
  Madkour, S., Szymoniak, P.; Heidari, M.; von Klitzing, R.; Schönhals, A.
  
• Confinement and localization effects revealed for thin films of the miscible blend poly(vinyl methyl ether) / polystyrene with a composition of 25/75 wt%. European Physics Journal E 42 (2019) 101
  Szymoniak, P.; Gawek, M.; Madkour, S.; Schönhals, A.
  
• Molecular dynamics of the asymmetric blend PVME/PS revisited by broadband dielectric and specific heat spectroscopy. Macromolecules 52 (2019) 1620-1631
  Szymoniak, P.; Madkour, S.; Schönhals, A.