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Liquid Crystal Self-Assembly and Organic–Inorganic Hybrid Material Design

Moghimian, Pouya :
Liquid Crystal Self-Assembly and Organic–Inorganic Hybrid Material Design.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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PhD Thesis - Moghimian 30.01.2017-2.pdf - Updated Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Liquid Crystal Self-Assembly and Organic–Inorganic Hybrid Material Design
Language: English
Abstract:

Viruses offer promising applications in virotronics (virus-based technology) and as soft scaffolds for building intelligent (i.e. responsive) multicomponent materials. The Ff class of phages including M13 and fd phages have recently received high attention due to their high uniformity and monodispersity. Phages have been used in virus-based applications owing to their low cost production, mild working temperature and pH conditions, chemical modifiability and ease of manipulation. In addition, they were found to exhibit liquid crystalline behavior in solutions; a property that made rod-like phages suitable material for self-assembly and soft matter physics. All of these features brought phages in the center of focus for the use in diverse applications such as semiconductors, chemical and biological sensing and piezoelectric nanogenerators.

Spontaneous assembly of anisometric colloidal particles, such as rod-like M13 phages, in two-dimensions (2D) can be carried out via evaporation of the colloid-containing suspensions on solid substrates. Rod-like particles having a high aspect ratio (e.g. very long inoviruses) show liquid crystal (LC) behavior in suspensions and they can be treated as polymer chains composed of homogenous elastic material, where the persistence length characterizes the molecular stiffness. Therefore, suspensions containing M13 phages are considered to be ideal model systems for studying the properties of soft matter systems. Here, I designed an experiment in order to obtain a condition in which filamentous M13 phages have a high degree of alignment along a common axis on a solid substrate. One aim is to attain a fully covered surface with densely packed and highly oriented M13 phage particles. Moreover, the effect of substrate surface chemistry on the alignment and orientation of macromolecules was investigated. Our results suggest an approach that can be used to immobilize oriented viral arrays on amorphous carbon surface. A unique feature of our approach is that the aforementioned architectures can be obtained by applying phage solution on a surface without employing nanoparticle assembly methods such as dip coating or convective assembly. However, an ordered medium of liquid crystals often possesses a variety of defects and deformations, at which the director n(r) of the liquid crystal undergoes an abrupt change compared to the vicinity of the defect. Experimental research on these effects has been remained challenging and been barely performed on confined rod-like colloidal particles on structured surfaces. Therefore, I intend to investigate the local deformation of rod-like M13 phage particles resulting from confinement in an irregular stranded web of thin carbon film and compare them to the existing theories. I shift the focus from evaporative self-organization on rationally designed surfaces to that on a complex surface. The aim is to study the possibility of controlling the orientation of M13 phages in two-dimensional nematic films by choosing structured substrates.

These rod-like molecules have the ability to mineralize a variety of inorganic materials. They can be used for the controlled growth of inorganic materials and for the production of hybrid structures. Owing to this property, phages are in the center of attention for the selected deposition and mineralization of inorganic substances. Here, I use M13 phages to mineralize zinc oxide nanoparticles from a deposition solution. This allowed us to construct nano-hybrid layered materials consisting of alternating organic (M13 phage) and inorganic (zinc oxide) layers (layer-by-layer) on a silicon substrate. Our aim is to achieve a homogeneous and uniform phage-assisted assembly of layered structures and to determine their microstructure, elemental composition and homogeneity. These hybrid structures have a potential for the use in biotechnology such as organic electronics.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Viren bieten vielversprechende Anwendungen in „Virotronics“ (Virus-basierte Technologie) und als weiche Gerüste für den Aufbau intelligenter mehrkomponentiger Materialien. Die Ff Klasse von Phagen einschließlich M13 und fd Phagen haben vor kurzem hohe Aufmerksamkeit wegen ihrer hohen Gleichmäßigkeit und Monodispersität erlangt. Materialwissenschaftler und chemische Biologen haben Phagen in Virus-basierten Anwendungen aufgrund ihrer geringen Produktionskosten, milden Temperatur und pH-Bedingungen, chemischen Modifizierbarkeit und Leichtigkeit der Manipulation verwendet. Darüber hinaus wurde ein flüssigkristallines Verhalten in Lösungen nachgewiesen; eine Eigenschaft, die stabförmige Phagen zu einem geeigneten Material für Selbstorganisation und der Physik der weichen Materie macht. Alle diese Merkmale brachten Phagen in den Fokus für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise Halbleiter Technologie, Chemo- und Biosensoren und piezoelektrische Nanogeneratoren. Den spontanen Zusammenbau von anisometrischen kolloidalen Teilchen, wie stabförmige M13 Phagen, in zwei Dimensionen (2D) kann über Verdampfung der kolloidhaltigen Suspensionen auf festen Substraten durchgeführt werden. Stabförmige Teilchen mit einem hohen Aspektverhältnis (beispielsweise sehr lange „Inoviruses“) zeigen flüssigkristallines (LC) Verhalten in Suspensionen und sie können als Polymerketten behandelt werden, die aus homogenen elastischen Material bestehen, wobei die Persistenzlänge des Moleküls seine Steifigkeit auszeichnet. Daher werden Suspensionen, die M13 Phagen enthalten, als ideale Modellsysteme für das Studium der Eigenschaften weicher Materie angesehen. Hier entwickelte ich ein Experiment, um einen Zustand zu erhalten, in dem filamentöse M13 Phagen einen größtmöglichen Grad der Ausrichtung entlang einer gemeinsamen Achse auf einem Substrat aufweisen. Ein Ziel ist es, eine Oberfläche zu erreichen, die mit dicht gepackten und gleichförmig ausgerichteten M13 Phagen möglichst vollständig bedeckt ist. Darüber hinaus wurde die Auswirkung der Substratoberflächenchemie auf die Ausrichtung und Orientierung der Makromoleküle untersucht. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser Ansatz, dazu verwendet werden kann, orientierte virale Felder auf amorpher Kohlenstoffoberfläche zu immobilisieren. Ein besonderes Merkmal unseres Ansatzes ist, dass die oben genannten Strukturen durch Aufbringen einer Phagenlösung auf einer Oberfläche ohne den Einsatz von auf Nanopartikeln basierenden Montageverfahren wie „dip coating“ oder „convective assembly“ erhalten werden können. Jedoch besitzt ein geordnetes Medium von Flüssigkristallen häufig eine Vielzahl von Fehlstellen und Deformationen, wo der Direktor n(r) des Flüssigkristalls eine abrupte Änderung im Vergleich zu der Umgebung des Defektes erfährt. Experimentelle Forschung über diese Effekte sind noch immer eine große Herausforderung und wurde nur selten an beschränkten, stabförmigen, kolloidalen Teilchen auf strukturierten Oberflächen durchgeführt. Deshalb will ich die lokale Verformung von stabförmigen M13 Phagen untersuchen, die sich aus der Umgebung in einem unregelmäßigen Netz von dünnen Kohlenstoff Filmen ergibt und diese mit den existierenden Theorien vergleichen. Ich verschiebe den Fokus von Verdunstungsselbstorganisation auf rational designten Oberflächen zu der auf einer komplexen Oberfläche. Das Ziel ist es, die Möglichkeit einer Steuerung der Orientierung von M13 Phagen in 2D nematischen Filme zu untersuchen, indem strukturierte Substrate verwendet werden. Diese stabförmigen Moleküle haben die Fähigkeit, eine Vielzahl von anorganischen Materialien zu mineralisieren. Sie können für das kontrollierte Wachstum von anorganischen Materialien verwendet werden, um Hybridstrukturen zu produzieren. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Phagen in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit für die gezielte Ablagerung und Mineralisierung von anorganischen Substanzen gerückt. Hier verwende ich M13 Phagen, um Zinkoxid Nanopartikel aus einer Abscheidungslösung zu mineralisieren. Dies erlaubte uns, Nanohybridmaterialien zu konstruieren, die aus alternierenden organischen (M13 Phagen) und anorganischen (Zinkoxid) Schicht („layer-by-layer“) auf einem Substrat bestehen. Unser Ziel ist es, eine homogene und einheitliche Phagen-gestützte Anordnung von Schichtstrukturen zu erreichen und ihre Mikrostruktur, elementare Zusammensetzung und Homogenität zu bestimmen. Diese Hybridstrukturen haben ein Potenzial für den Einsatz in der Biotechnologie wie die organische Elektronik.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Structure Research
Date Deposited: 03 Feb 2017 11:51
Last Modified: 07 Feb 2017 07:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59543
Referees: van Aken, Prof. Dr. Peter A. and Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim
Refereed: 17 January 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5954
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