Controlled nanostructures of synthetic and biological polymers investigated by scanning force microscopy techniques

• Main Author: Zhuang, Wei
• Other Authors: Rabe, Jürgen P.
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I 2010
• Subjects: Rasterkraftmikroskopie; Manipulation; DNA; Nanostruktur; Polymere; einzelne Moleküle; manipulation; nanostructure; AFM; SFM; polymer; single molecule; 540 Chemie; 30 Chemie; ddc:540
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/16862; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-100177241; http://dx.doi.org/10.18452/16210

Polymere Nanostrukturen aus funktionalen synthetischen und biologischen Makromolekülen wurden an Grenzflächen und in dünnen Filmen selbstorganisiert, und dann mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie (SFM) - Techniken erforscht, um ein Verständnis auf molekularer Ebene zu entwickeln, das es erlaubt, ihre Eigenschaften kontrolliert einzustellen. Eine weit verbreitetes Polymer für die organische Elektronik, Poly(3-hexylthiophen), wurde in dünnen Filmen untersucht, um den Einfluß des Molekulargewichts auf die Ausbildung molekularer Nanostrukturen und die Korrelation mit den entsprechenden Transistor Eigenschaften und Ladungsträger-Beweglichkeiten zu bestimmen. Auf der Ebene einzelner Makromolekülen wurden dendronisierte Polymere untersucht. Zum ersten Mal wurde über die spontane Faltung einzelner synthetischer Polymerketten berichtet. Darüber hinaus ist es gelungen, seltene einzelne Polymertopologien wie z.B. Kettenverzweigung nachzuweisen, die nicht durch andere Methode nachweisbar sind. Die Komplexierung von doppelsträngiger-DNA (ds-DNA) mit amphiphilen kleinen Molekülen erlaubt es, makromolekulare Konformationen durch eine Molekulare Werkbank zu kontrollieren, die wesentlich in der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde. Damit wurde es möglich, ds-DNA auf molekular modifizierten Graphit-Oberflächen zu spalten, auszustrecken, zu überdehnen, und schließlich zu brechen. Mit einer neu entwickelten "SFM Blowing"-Technik wurden überdrillte ds-DNA und synthetische Block-Copolymere aus DNA und Poly(ethylenglycol) vollständig auf einem atomar flachen Substrat ausgestreckt. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in hoch interessante funktionale polymere Nanostrukturen sowie neue Methoden für deren Untersuchung. Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von biologisch inspirierten, funktionalen molekularen Systemen, die letztlich nahe an physikalischen Grenzen operieren, etwa was die effiziente Nutzung von Materie und Energie angeht. === Polymeric nanostructures from highly attractive, functional synthetic and biological macromolecules were self-assembled at interfaces and in thin films, and then explored with Scanning Force Microscopy (SFM) techniques, in order to develop a molecular level understanding, which allows to control their properties. A widely used polymer for organic electronics, poly(3-hexylthiophene), was investigated in thin films in order to determine the role of molecular weight for the formation of molecular nanostructures, and the correlation with the corresponding transistor properties and charge carrier mobilities. On the level of single macromolecules, dendronized polymers, were investigated. For the first time, self-folding of single synthetic polymer chains into polymeric duplexes was reported. Moreover, it became possible to detect rare single polymer topologies, such as chain branching, which could not be detected by any other means so far. The complexation of plasmid double-stranded DNA (ds-DNA) with amphiphilic small molecules allowed to control the macromolecular conformation with a “Molecular Workbench”, developed largely within this thesis. It became possible to split, stretch, overstretch, and finally break ds-DNA on molecularly modified graphite surfaces. With a newly developed “SFM blowing” technique, supercoiled ds-DNA and also synthetic block copolymers from DNA and poly(ethyleneglycol) were fully stretched on an atomically flat substrate. Quantitative experiments allowed to estimate rupture forces of ds-DNA on a time scale on the order of as much as half an hour. In summary, this work presents new insight into highly interesting functional polymeric nanostructures as well as new methods for their investigation. The results are highly relevant for a rational development of biologically inspired functional molecular systems, which may ultimately operate close to physical limits as far as the efficient use of matter and energy is concerned.