Aggregationsverhalten klassischer und bipolarer Amphiphile an der Luft-Wasser-Grenzfläche und in wässriger Volumenphase

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt Untersuchungen zur Strukturaufklärung von Aggregaten amphiphiler Moleküle, die sich an der Luft-Wasser-Grenzfläche bzw. in wässriger Volumenphase ausbilden. Die ausgewählten Amphiphile umfassen zum einen wasserlösliche und -unlösliche klassische Amphiphile, die aus einer hydrophilen Kopfgruppe und einer oder zwei hydrophoben Alkylketten bestehen. Zum anderen stehen einkettige, symmetrische, bipolare Amphiphile (Bolaamphiphile) im Mittelpunkt des Interesses, die aus einer langen hydrophoben Alkylkette und zwei identischen hydrophilen Kopfgruppen aufgebaut sind. Bei der Untersuchung amphiphiler Moleküle an der Luft-Wasser-Grenzfläche werden zwei neuartige methodische Ansätze zur Beschreibung von Aggregatstrukturen klassischer und bipolarer Amphiphile diskutiert: eine neue Methode zur Bestimmung von Oberflächenverteilungskoeffizienten, die auf dem Einsatz der Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS) beruht sowie eine direkte Bestimmung der Konformation langkettiger Bolaamphiphile an der Luft-Wasser-Grenzfläche durch Kombination von Röntgen-Reflektivitätsmessungen und IRRAS. Das Aggregation einkettiger, symmetrischer Bolaamphiphile in wässriger Volumenphase zu Mizellen, Nanofasern, Scheiben und Lamellen wurde am Beispiel der Polymethylen-1,ω-bis(phosphocholine) (PC-Cn-PC, n=20-32) und der Polymethylen-1,ω-bis(phosphodimethylethanolamine) (Me2PE-Cn-Me2PE, n=20-32) mittels Elektronenmikroskopie (TEM) und Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei der Charakterisierung der helikalen Überstruktur der gebildeten Nanofasern gewidmet. Unter Verwendung der Nanofasern als Templatstruktur wurde ein neuer Weg zur Fixierung von Gold-Nanopartikeln in eindimensionaler Nanopartikel-Anordnung in Lösung vorgestellt.

The presented work describes the structural investigation of amphiphiles that self-assemble either at the air-water interface or in aqueous volume phase. One the one hand, the applied amphiphiles are water soluble or insoluble classical amphiphiles composed of a hydrophilic headgroup and one or two hydrophobic alkyl chains. On the other hand, single-chain symmetric bipolar amphiphiles (bolaamphiphiles) are in the focus of this work being composed of one long hydrophobic alkyl chain and two identical hydrophilic headgroups. For the investigation of amphiphilic molecules at the air-water interface two new strategies were applied: a new method for the determination of surface partition coefficients using infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) and the direct determination of the conformation of long-chain bolaamphiphiles at the air-water interface by a combination of Xray reflectivity and IRRAS measurements. The aggregation of single-chain, symmetric bolaamphiphiles in water to micelles, nanofibers, discs and sheets was investigated using transmission electron microscopy (TEM) and small angle neutron scattering (SANS). Therefore, polymethylene-1,ω-bis(phosphocholines) (PCCn-PC, n=20-32) and polymethylene-1,ω-bis(phosphodimethylethanolamines) (Me2PE-Cn-Me2PE, n=20-32) were applied. The characterisation focussed on the helical superstructure of the formed nanofibers and the one-dimensional arrangement of gold-nanoparticles on these nanofiber templates.