Immobilization of ordered plasmonic nanostructures at surfaces of polymeric melts

• Applicants: Professor Dr. Andreas Fery; Dr. Jürgen Nagel
• Subject Area: Polymer Materials ; Plastics Engineering
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 407193529

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Wir konnten zeigen, dass sich mittels der erarbeiteten Spritzgussmethode AuNP-Ketten strukturtreu mit hoher Qualität auf Polycarbonat-Oberflächen übertragen lassen. Durch die teilweise Einbettung der Partikel widerstehen diese Oberflächen kontinuierlicher Extraktion mit Ethanol, ohne dass es zu einem wesentlichen Auswaschen der Partikel oder Qualitätsverlust der Kettenanordnung kommt. Die Güte der erhaltenen, funktionalen Oberflächen ermöglicht SERS mit Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung von 10^4. Verbunden mit ihrer Robustheit sind die Sensoroberflächen so für die Integration in Mikrofluidik-Chips in zukünftigen Experimenten geeignet. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich der Prozess auf weitere Partikelformen, -materialien, -anordnungen ausweiten lässt, was die Bandbreite an nutzbaren optischen, elektrischen und magnetischen Effekten erheblich erhöht. In unseren Versuchen konnten wir erfolgreich prismatische und sphärische Einzelpartikel sowie Einfach- und Doppelketten aus sphärischen Partikeln übertragen. Des Weiteren führten PEG-Bürsten (2 bzw. 5 kDa) mit unterschiedlicher Endfunktionalität (–CH3, –OH, –NH2, –NH-Fmoc) sowie ((11-Mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammoniumbromid) zu einer erfolgreichen Übertragung. Entsprechende Oberflächenchemie lässt sich bei Bedarf auch bei Partikeln anderer Materialien als Gold einführen. Die vorliegende Studie beschränkt sich auf flache Polymeroberflächen mit strukturierten, funktionalen Sub-Monolagen an AuNP. Durch komplexere, geschichtete Strukturen wie chirale, gekreuzte AuNP-Ketten eröffnet sich die Möglichkeit zur enantio-selektiven Detektion von Molekülen. In zukünftigen Studien gilt es zu untersuchen, ob es die beschriebene Spritzgussmethode vermag, derartig komplexe Strukturen in funktionale Polymeroberflächen zu überführen. Als Variation des Spritzgussprozesses, haben wir gezeigt, dass sich AuNP-Ketten in-situ auf 3D-gedruckte Polymerstränge übertragen lassen. Dies eröffnet die Möglichkeit zur flexiblen Herstellung von Kleinstserien für die maßgeschneiderten Integration von Sensoroberflächen und die Erzeugung funktionaler Mikrofluidik-Chips. Allerdings bedarf es weiterer Optimierung der Düsen- und Druckparameter, um 3D-gedruckte Polymeroberflächen mit einer hohen Belegung an funktionalen Partikelanordnungen auszustatten.

Publications

• Dissertation: "Designing Plasmonic Meta-Surfaces via Template-Assisted 1D, 2D, and 3D Colloidal Assembly”. Technische Universität Dresden, 2021
  Patick T. Probst
  
• Mechano-tunable chiral metasurfaces via colloidal assembly. Nature Materials, 20(7), 1024-1028.
  Probst, Patrick T.; Mayer, Martin; Gupta, Vaibhav; Steiner, Anja Maria; Zhou, Ziwei; Auernhammer, Günter K.; König, Tobias A. F. & Fery, Andreas
  
• Green Approach for Manufacturing of Polymer Surface Structures with Microcavities Having Robust Chemically Functionalized Inner Surfaces. ACS Applied Polymer Materials, 4(7), 5189-5198.
  Zimmermann, Philipp; Schlenstedt, Kornelia; Schwarz, Simona; Vehlow, David; Blanke, Marit; Fery, Andreas & Nagel, Jürgen
  
• Nano meets macro: Furnishing the surface of polymer molds with gold‐nanoparticle arrays. Nano Select, 3(11), 1502-1508.
  Wang, Ruosong; Zimmermann, Philipp; Schletz, Daniel; Hoffmann, Marisa; Probst, Patrick; Fery, Andreas; Nagel, Jürgen & Rossner, Christian