Vergleichende Studien zur Adhäsion von Polyacrylsäure auf ZnO-Einkristalloberflächen und nanokristallinen ZnO-Schichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Guido Grundmeier
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320414069

Der Antrag beinhaltet ein Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der vergleichenden Untersuchung der Adhäsion von Makromolekülen auf Zinkoxid-Einkristalloberflächen und oberflächentechnisch relevanten nanokristallinen Zinkoxidschichten. Das grundlegende Ziel des Projektes ist die Analyse der Grenzflächenkräfte und -chemie zwischen Polyacrylsäuren und Zinkoxidoberflächen in wässrigen Elektrolyten mittels der Methode der Einzelmolekül-Kraftspektroskopie. Diese Wechselwirkungen, die durch die Orientierung der Kristalloberfläche, ihre Terminierung, die Adsorbatschicht sowie durch die elektrische Doppelschichten der organischen Säure und der Kristalloberfläche beeinflusst werden, können neben van-der-Waals Kräften elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen sowie koordinative Bindungen umfassen. Die Aufklärung dieser Wechselwirkungsmechanismen soll es erlauben, mikroskopische und makroskopische Adhäsionsprozesse von Polymeren mit Karbonsäurefunktionen auf Zinkoxid bzw. auf mit Zinkoxid beschichteten Substraten zu verstehen. Diese sind von großer Bedeutung für die Funktionalität und Stabilität von ZnO-basierten Kompositmaterialien und polymerbeschichteten Zinklegierungen unter ambienten und korrosiven Bedingungen.Um ein grundlegendes Verständnis der Grenzflächenprozesse erzielen zu können, sollen polare und unpolare ZnO-Einkristalloberflächen untersucht werden, die eine genaue Charakterisierung der Oberflächenterminierung erlauben und zugleich unter den Bedingungen stabil sind, die für die Grenzflächenstabilität im Elektrolyten relevant ist. Die Oberflächen der ZnO-Substrate sollen ex-situ mittels Elektronenbeugung (LEED) und -Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung sowie in-situ mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) hinsichtlich der Topographie sowie der Oberflächenladung charakterisiert werden. Die Wechselwirkungen der Polyacrylsäure an der Elektrolyt/Oxid-Grenzfläche sollen mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie unter Nutzung von PEG-Linkern in Abhängigkeit der Oberflächenchemie und der Elektrolytzusammensetzung untersucht werden. Darüber hinaus wird der Einfluss von spezifisch adsorbierenden Anionen auf der Oxidoberfläche auf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der Makromoleküle als Funktion der Kristallorientierung untersucht, um die Enthaftungsprozesse von acrylsäurehaltigen Polymeren auf Zinkoxid unter korrosiven Bedingungen zu verstehen. Die vergleichenden Studien an strukturierten ZnO-Nanostäbchen sollen es überdies ermöglichen, die reine Chemisorption der Makromoleküle mit der Immobilisierung der Makromoleküle in den Zwischenräumen der ZnO-Nanostäbchen zu verknüpfen. Basierend auf diesen Studien zielen wir auf das fundamentale Verständnis und die Vorhersage hochstabiler Bindungen an Polymer/Oxid-Grenzflächen in wässrigen Elektrolyten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen