ISBN 978-3-8439-1120-7

978-3-8439-1120-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Armin Rumpel
Untersuchungen zur molekularen Ordnung an Grenzflächen mit Hilfe eines neu entwickelten Summenfrequenz-Spektrometers

190 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Aufbau eines modernen Summenfrequenzspektrometers und Anwendungen der Summenfrequenzspektroskopie (SFS) zur Charakterisierung verschiedener technisch relevanter Festkörper- und Flüssigkeitsgrenzflächen.

Das aufgebaute Spektrometer wurde zur Untersuchung der Selbstorganisation von C60-funktionalisierten Phosphonsäuren auf Aluminiumoxid eingesetzt. Damit wird ein aktuelles Forschungsfeld betreten, das die Herstellung von wohlgeordneten C60-Lagen zum Ziel hat. Durch die Anwendung der SFS zusammen mit den komplementären Methoden Ellipsometrie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die Ordnung der C60-funktionalisierten Moleküle auf dem Oxid gezielt für ihre Anwendung in Feldeffekttransistoren optimiert werden kann. Die aufgezeigte Korrelation zwischen den elektronischen Eigenschaften der auf Basis der Monolagen hergestellten Transistoren und der Amplitude der C60-Bande liefert zudem einen spektroskopischen Zugang zur schnellen Beurteilung der Eignung einer Monolage für den Einsatz als aktive Lage in organischen Feldeffektransistoren.

Als zweite Anwendung ist die SFS für die Untersuchung der Adsorption von Proteinen und Tensiden an der Wasser/Luft-Grenzfläche eingesetzt worden. Dieser Prozess ist von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Stabilität von Schäumen in Lebensmitteln. Es wird eine stark vom pH-Wert der Subphase abhängige Ordnung der Proteinlage an der Grenzfläche gefunden. Die pH-abhängige Nettoladung eines Proteins führt zur Ausbildung einer geladenen Grenzfläche und zur Ausrichtung der grenzflächennahen Wassermoleküle, die mit der SFS gemessen werden kann. Unter Ausnutzung dieser einzigartigen Sensitivität ist es gelungen, erstmals den isoelektrischen Punkt von bovinem Serum-Albumin (BSA) an der Grenzfläche zu pH 5,5 zu bestimmen. Außerdem kann die aus den Spektren abgeleitete molekulare Ordnung der Proteine hohe Stabilität der Proteinschäume um pH 5,5 erklären.

Weitere Anwendungen beschäftigen sich mit kinetischen Prozessen an Grenzflächen, Adsorption an der Aluminiumoxid/Wasser-Grenzfläche und der Zeitabhängigkeit der CH-Streckschwingungen einer Thiol-Monolage auf Femtosekunden-Zeitskala. All diese Anwendungen belegen den großen Wert der SFS zur Untersuchung von komplexen Grenzflächen auf molekularer Ebene.