Study of surface parameters and responsive behavior of different non-fouling polymer brush systems

Abstract

Polymerní kartáče jsou široce používány jako stabilní, neadhezivní (non-fouling) biorozhraní, avšak jejich funkce závisí na molekulárním stavu mezivrstvy, zahrnujícím hydrataci, natažení řetězců, hustotní gradienty, viskoelasticitu a heterogenitu v nanoměřítku, které jsou jednou charakterizační technikou nedostatečně popsány. Tato disertační práce vyvíjí a aplikuje spektroskopicko-mechanický soubor metod pro získání vzájemně omezeného (konzistentního) popisu neutrálních hydrofilních kartáčů připravených postupy grafting-to a grafting-from ((SI- )RAFT a SI-ATRP). Klíčovým metodickým výsledkem je imerzní uspořádání umožňující in- situ variabilně úhlovou spektroskopickou elipsometrii (VASE) při více úhlech s minimalizací chyb indukovaných okny cely, doplněné strategií více prostředí pro spolehlivé optické modely substrátu a filmu. Tato optická omezení jsou integrována s QCM-D prostřednictvím viskoelastického modelování, v němž je hustota nabobtnalé vrstvy převzata z rigorózní analýzy VASE. Tím se předchází libovolným předpokladům o hustotě a je možné extrahovat hydrodynamickou tloušťku, elastický smykový modul a smykovou viskozitu měkkých vrstev bohatých na rozpouštědlo. Přístup je demonstrován na kartáčích poly(MeOEGMA) připravených z iniciačních monovrstev s nastavenou hustotou, kde kombinace...

Polymer brushes are widely used as stable, non-fouling biointerfaces, yet their function depends on the molecular state of the interphase, including hydration, chain stretching, density gradients, viscoelasticity and nanoscale heterogeneity which is poorly captured by single-technique characterization. This thesis develops and applies a spectroscopic/mechanical toolbox to obtain a constrained description of neutral, hydrophilic brushes prepared by grafting-to and grafting- from routes ((SI-)RAFT and SI-ATRP). A key methodological outcome is an immersion setup enabling in situ variable-angle spectroscopic ellipsometry (VASE) at multiple angles with minimized window-induced errors, complemented by a multiple-environment strategy for reliable substrate/film optical models. These optical constraints are integrated with QCM-D through viscoelastic modeling in which swollen-layer density is taken from rigorous VASE analysis, avoiding arbitrary density assumptions and enabling extraction of hydrodynamic thickness, elastic shear modulus and shear viscosity for soft, solvent-rich layers. The approach is demonstrated on poly(MeOEGMA) brushes grown from initiator monolayers of tuned density, where combined VASE-QCM-D resolves optical vs hydrodynamic thickness and supports scaling-law inference of chain...