Selbstorganisierte Anlagerung organischer Moleküle innerhalb von nanostrukturierten Oxiden

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Manuela S. Killian
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410554859

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Nanoporöse Oxide (NPOs) finden Anwendung als bioaktiven Beschichtungen bis hin zu Elektroden mit großer Oberfläche. Zur Verbesserung der Funktionalität kann die Nanostruktur mit organischen selbstorganisierten Monolagen modifiziert oder mit funktionellen Komponenten gefüllt werden. Dieses Projekt befasst sich mit Herausforderungen bei der Beladung und insbesondere der Charakterisierung solch organisch-anorganischer Nanoarchitekturen. Mehrere auf der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) basierende analytische Ansätze wurden verglichen, um eine artefaktarme chemische Abbildung der Tiefenverteilung organischer Moleküle innerhalb von NPOs zu erhalten. ToF-SIMS kann chemische Informationen über die Materialzusammensetzung mit einer Auflösung von ~200 nm liefern, während bei Tiefenprofilen eine Tiefenauflösung von bis zu 1 nm erreichbar ist. Reguläre Tiefenprofile lieferten überraschend klare Informationen über die Position der organischen Stoffe, lediglich kleinere Push-on Effekte wurden beobachtet. Allerdings ist dies auf kleine charakteristische Fragmente beschränkt, insbesondere solche mit Heteroatomen, was im Fall von Mehrkomponentensystemen unklare Informationen liefern kann. Zwei weitere Ansätze wurden verfolgt: Querschnittsabbildung (CSM) und SIMS-Abbildung der geneigten Schnittfläche eines fokussierten Ionenstrahlschnitts (FIB&SIMS). Während CSM, bei dem ein Ionenstrahl-Querschnitt der Architektur mittels SIMS abgebildet wird, leicht interpretierbare Daten liefert, ist die Technik aufgrund der Auflösungsgrenze des ToF-SIMS nur auf dickere Schichten anwendbar. In einem FIB’n’SIMS-Ansatz konnten wir eine sehr flache geneigten Ebene erzeugen, was zu einem gut aufgelösten chemischen Bild der organischen Tiefenverteilung innerhalb der Nanoarchitektur führte. NPOs aus ZrO2 und NiO standen im Fokus dieses Projekts. Es wurde eine Bibliothek von Anodisierungsparametern für ZrO2-Nanoröhren und NiO-Nanoschwamm mit unterschiedlichen Porendurchmessern und Schichtdicken erstellt, ohne HF-Ätzbehandlungen. Strukturell modulierte „Flaschenhals“-ZrO2-Nanoröhren wurden entwickelt, um die Freisetzungskinetik der Beladung aus der Nanoarchitektur zu steuern. Heterogene chemische Verteilungen wurden durch Kombination verschiedener Modifikationsmethoden erhalten, z.B. durch Eintauchen und Mikrokontaktdruck, ein auf äußere Reize reagierendes Wirkstofffreisetzungssystem wurde hierbei demonstriert. Darüber hinaus wurde der Transfer der Nanoarchitekturen auf nicht anodisierbare Oberflächen untersucht, um komplexe Oberflächenfunktionalitäten zu erzeugen, z.B. Freisetzungsbeschichtungen auf Keramikimplantaten oder farbstoffsensibilisierte Solarzellen auf Beton. Weiterhin wurde festgestellt, dass kein allgemein gültiges Füllprotokoll für NPOs anwendbar ist. Die Infiltration hängt von der chemischen Zusammensetzung sowohl der organischen Verbindung als auch des Oxids ab und kann durch chemische Veränderung der Nanostruktur angepasst werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A High-Field Anodic NiO Nanosponge with Tunable Thickness for Application in p-Type Dye-Sensitized Solar Cells. ACS Applied Energy Materials, 3(8), 7865-7872.
  Sultan, Umair; Ahmadloo, Farzaneh; Cha, Gihoon; Gökcan, Baris; Hejazi, Seyedsina; Yoo, Jeong-Eun; Nguyen, Nhat Truong; Altomare, Marco; Schmuki, Patrik & Killian, Manuela S.
  
• Wetting behavior of zirconia nanotubes. RSC Advances, 11(47), 29585-29589.
  Vakamulla, Raghu Swathi Naidu & Killian, Manuela Sonja
  
• Zirconia nanotube coatings - UV-resistant superhydrophobic surfaces. Surfaces and Interfaces, 26, 101357.
  Raghu, Swathi Naidu Vakamulla; Chuluunbandi, Khajidkhand & Killian, Manuela Sonja
  
• Functionalization strategies to facilitate multi-depth, multi-molecule modifications of nanostructured oxides for triggered release applications. Surface Science, 719, 122024.
  Raghu, Swathi N.V.; Onyenso, Gabriel; Mohajernia, Shiva & Killian, Manuela S.
  
• Transfer of a Photocatalytically Active TiO2 Nanotube Array onto Cementitious Materials. ACS Applied Materials & Interfaces, 14(41), 47272-47276.
  Hartwich, Patrick; Pritzel, Christian & Killian, Manuela S.
  
• “Solar capsules”, 2022 – DE 10 2022 108 893.6
  P. Hartwich, C. Pritzel & M.S. Killian
  
• Nanodentistry aspects explored towards nanostructured ZrO2: Immobilizing zirconium-oxide nanotube coatings onto zirconia ceramic implant surfaces. Open Ceramics, 14, 100340.
  Raghu, Swathi N.V.; Hartwich, Patrick; Patalas, Adam; Marczewski, Mateusz; Talar, Rafal; Pritzel, Christian & Killian, Manuela S.
  
• FIB’n’SIMS – advanced depth analysis of hybrid organic-inorganic nanomaterials. Surfaces and Interfaces, 68, 106685.
  Hartwich, Patrick; Vakamulla, Raghu Swathi Naidu; Mogwitz, Boris; Onyenso, Gabriel; Rohnke, Marcus & Killian, Manuela S.
  
• Isoelectric Point of Metal Oxide Films Formed by Anodization. Langmuir, 41(4), 2788-2795.
  Yadigarli, Aydan; Hartwich, Patrick; Onyenso, Gabriel; Kowald, Torsten L.; Aktan, Merve Kübra; Braem, Annabel & Killian, Manuela Sonja