DE19905795A1 - Process for the reversible local arrangement of molecular switches bound to an inorganic surface uses molecular sequences consisting of an anchor group, two segments and a terminal paramagnetic or diamagnetic acceptor - Google Patents
Process for the reversible local arrangement of molecular switches bound to an inorganic surface uses molecular sequences consisting of an anchor group, two segments and a terminal paramagnetic or diamagnetic acceptorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reversiblen Änderung der Grenzflächeneigenschaften von mit linearen Oligomeren/Polymeren (molekularer Schalter) gepfroften Keramiken, Gläsern, anorganischen Halbleitern, Metallen oder metallischen Legierungen im Kontakt mit einer flüssigen Phase. Anwendungen dieser oberflächenaktiven Materialien liegen vor allem bei der Herstellung elektronischer Bauteile, in der Optik und als Vorlage in der Druckerei.The invention relates to a method for reversibly changing the Interface properties of with linear oligomers / polymers (molecular Switches) grafted ceramics, glasses, inorganic semiconductors, metals or metallic alloys in contact with a liquid phase. Applications of this Surface-active materials are mainly used in the manufacture of electronic ones Components, in optics and as a template in the print shop.
Die Grenzflächenenergie zwischen einer festen und einer flüssigen Phase wird wesentlich durch die Oberfläche des Festkörpers bestimmt. Eine Änderung der Oberfläche auf molekularer Basis kann somit zu einer dramatischen Änderung der Kontakteigenschaften zwischen den beiden Phasen führen (makroskopischer Effekt). Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, einen molekularen Schalter an der Oberfläche von Keramiken, anorganischen Halbleitern, Metallen oder metallischen Legierungen zu fixieren. Das Schaltermolekül soll dabei in der Lage sein, in Wechselwirkung mit einem von dem anorganischen Festkörper induzierten Kraftfeld (stationärer Sekundärakzeptor) zwischen zwei verschiedenen Konfigurationen reversibel zu schalten. Unterscheiden sich die Teilstrukturen der beiden Konfigurationen des Schalters die der Grenzfläche exponiert sind in ihrer Polarität, wird durch den molekularen Schalter ein makroskopischer Grenzflächeneffekt, z. B. Änderung des Benetzungsverhaltens oder optischer Eigenschaften, induziert.The interfacial energy between a solid and a liquid phase becomes essentially determined by the surface of the solid. A change in Molecular-based surface can thus cause a dramatic change in the Contact properties between the two phases lead (macroscopic effect). The present invention has for its object to develop a method a molecular switch on the surface of ceramics, inorganic To fix semiconductors, metals or metallic alloys. The switch molecule should be able to interact with one of the inorganic Solid state induced force field (stationary secondary acceptor) between two to switch different configurations reversibly. The differ Substructures of the two configurations of the switch that expose the interface polarity, the molecular switch turns it into a macroscopic one Interface effect, e.g. B. change in wetting behavior or optical Properties, induced.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß ein molekularer Schalter synthetisiert und anschließend auf der Ober fläche des anorganischen Materials fixiert wird. Der molekulare Schalter ist ein lineares Oligomer oder Polymer, das aus vier Abschnitten besteht: einer Ankergruppe, zwei Segmenten (Bez.: A, B) unterschiedlicher Polarität und einer terminalen Akzeptorgruppe. Die Akzeptorgruppe wird dabei so gewählt, daß zwischen diesen Akzeptoren und dem zugeordneten, stationären Sekundärakzeptoren (anorganische Komponente der Hybrideinheit) ein definiert steuerbares Kraftfeld erzeugt werden kann.This is achieved in a method of the type described in the introduction solved that a molecular switch synthesized and then on the upper surface of the inorganic material is fixed. The molecular switch is on linear oligomer or polymer consisting of four sections: an anchor group, two segments (ref .: A, B) of different polarity and one terminal Acceptor group. The acceptor group is chosen so that between them Acceptors and the assigned, stationary secondary acceptors (inorganic Component of the hybrid unit) a defined controllable force field can be generated can.
Es hat sich gezeigt, daß nur solche Molekülsequenzen als Schalter geeignet sind, deren Anhaftung am Sekundärakzeptor irreversibel ist, d. h die Molekülsequenzen müssen sich in einem translativ stationären Zustand befinden. Neben der Stationarität ist erfindungsgemäß die konstante Ausrichtung der Molekülsequenzen am Sekundärakzeptor essentiell. Die Ankergruppe ermöglicht eine kovalente, irreversible Bindung des Schalters an die anorganische Phase. In diesen Fällen kann die translative Stationarität durch kovalente Bindung zwischen der Molekülsequenz und der Oberfläche des Sekundärakzeptors erfolgen. Als Ankergruppe wird im allgemeinen eine Thiol-Gruppe verwendet. Entsprechende Verfahren entsprechen dem Stand der Technik und sind dem Fachmann z. B. aus Whiteside, bekannt.It has been shown that only those molecular sequences are suitable as switches whose Attachment to the secondary acceptor is irreversible, d. h the molecular sequences must are in a translationally stationary state. In addition to the stationarity is according to the invention the constant alignment of the molecular sequences Secondary acceptor essential. The anchor group enables a covalent, irreversible Binding of the switch to the inorganic phase. In these cases, the translative Stationarity through covalent bond between the molecular sequence and the Surface of the secondary acceptor. The anchor group is generally used a thiol group. Appropriate procedures correspond to the state of the Technology and are the expert z. B. from Whiteside.
Die Segmente A und B sind so ausgewählt, daß B eine starke Wechselwirkung mit der flüssigen Phase besitzt, während A eine schwache Wechselwirkung mit derselben flüssigen Phase aufweist. Die Wechselwirkung zwischen Segment B und der flüssigen Phase bestimmt die Grenzflächeneigenschaften, wenn die Wechselwirkung zwischen Akzeptor und Sekundärakzeptor minimal ist. Wird unter der Einwirkung eines Kraftfeldes der Akzeptor in Richtung der Oberfläche bewegt, bestimmt Segment A die Oberflächeneigenschaften des Hydridmaterials. Die Molmassen Mn der beiden Segmente liegen typischerweise im Bereich von 100 bis 10.000 g.mol-1.The segments A and B are selected so that B has a strong interaction with the liquid phase, while A has a weak interaction with the same liquid phase. The interaction between segment B and the liquid phase determines the interface properties when the interaction between acceptor and secondary acceptor is minimal. If the acceptor is moved towards the surface under the influence of a force field, segment A determines the surface properties of the hydride material. The molecular weights M n of the two segments are typically in the range from 100 to 10,000 g.mol -1 .
Es hat sich gezeigt, daß durch die Ausrüstung der oberflächengebundenen Molekülsequenzen mit chemischen Gruppen, sogenannten Akzeptoren, die Molekülsequenzen trotz ihrer translativen Stationarität hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung definiert veränderbar werden. Erfindungsgemäß sind dabei nur solche chemische Gruppen als Akzeptoren zu verwenden, die mit dem Sekundärakzeptor unter Ausbildung eines definiert regelbaren Kraftfeldes in Wechselwirkung treten können. Die Akzeptoren können dabei paramagnetische oder diamagnetische Eigenschaften aufweisen.It has been shown that by the equipment of the surface-bound Molecular sequences with chemical groups called acceptors Molecular sequences despite their translational stationarity in terms of their spatial The arrangement can be changed. According to the invention, only such are chemical groups to use as acceptors with the secondary acceptor interact with each other to form a defined, controllable force field can. The acceptors can be paramagnetic or diamagnetic Have properties.
Überraschend hat sich gezeigt, daß Akzeptoren mit paramagnetischen Eigenschaften besonders gut als Akzeptoren geeignet sind. paramagnetische Atome und Ionen Insbesondere ist vorgesehen, diese paramagnetischen Substanzen als Komplexe terminal an dem Schaltermolekül zu fixieren. Dies kann insbesondere durch Cyclodextrine und/oder durch Chelatbildner wie Hydroxycarbonsäuren, -ketonen und - aldehyden und ihren Analogen; hierher gehören auch enolisierbare 1,3-Diketone wie Acetylaceton (2,4-Pentandion), Oxycarbonsäuren, Aminen, Ethylendiamintetra essigsäure (EDTA), Nitrilotriessigsäure (NTA) u. a..Surprisingly, it has been shown that acceptors with paramagnetic properties are particularly suitable as acceptors. paramagnetic atoms and ions In particular, these paramagnetic substances are provided as complexes to be fixed terminally to the switch molecule. This can be done in particular by Cyclodextrins and / or by chelating agents such as hydroxycarboxylic acids, ketones and aldehydes and their analogs; This subheading also includes enolizable 1,3-diketones such as Acetylacetone (2,4-pentanedione), oxycarboxylic acids, amines, ethylenediaminetetra acetic acid (EDTA), nitrilotriacetic acid (NTA) u. a ..
Korrespondierende Sekundäraktzeptoren sind in diesen Fällen Metalle oder metallische Legierungen, die sich reversibel magnetisieren lassen. In einem wesentlichen Merkmal der Erfindung erfolgt diese Magnetisierung durch ein äußeres elektrisches oder magnetisches Feld. Die Sekundäraktzeptoren sind in diesem Fall in einer Art Elektromagnet ausgeführt.Corresponding secondary reactors in these cases are metals or metallic alloys that can be reversibly magnetized. In one essential feature of the invention, this magnetization takes place by an external electric or magnetic field. The secondary reactors are in in this case a kind of electromagnet.
Überraschend hat sich gezeigt, daß ferromagnetische Sekundäraktzeptoren besonders gut zur Regelung oben beschriebener Akzeptoren mit paramagnetischen Eigenschaften geeignet sind, sofern ihre Curie-Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 0 und 80°C, insbesondere aber zwischen 15 und 40°C liegen.Surprisingly, it has been shown that ferromagnetic secondary reactors in particular good for controlling acceptors described above with paramagnetic properties are suitable, provided their Curie temperature is in a temperature range between 0 and 80 ° C, but especially between 15 and 40 ° C.
Auch die Verwendung von diamagnetischen Akzeptoren ist erfindungsgemäß möglich. Dann wird im Falle der einsetzenden Magentisierung des Sekundärakzeptors ein definiert regelbares Kraftfeld induziert, welches zu einer Abstoßung der Akzeptoren und somit zu einer steifen Ausrichtung der Molekülsequenzen führt. Die Anbindung der diamagnetischen Akzeptoren sowie die prinzipielle Gestaltung des korrespondierenden Sekundärakzeptors kann in Analogie zu der bei den paramagnetischen Akzeptoren beschriebenen Ausführungsweise erfolgen. The use of diamagnetic acceptors is also possible according to the invention. Then in the case of the onset of magnetization of the secondary acceptor defines adjustable force field, which leads to a repulsion of the acceptors and thus leads to a rigid alignment of the molecular sequences. The connection of the diamagnetic acceptors and the basic design of the Corresponding secondary acceptor can be used in analogy to that in the paramagnetic acceptors described embodiment.
Es hat sich außerdem gezeigt, daß anionische chemische Gruppen wie Silikat-, Nitrat-, Nitrit-, Sulfid-, Carboxylat-, Sulfonat-, Sulfat-, Hydrogensulfat-, Phosphat-, Hydrogenphosphat- oder Metallatgruppen (z. B. Chromat-, Manganat- oder Molybdatgruppen) als Akzeptoren geeignet sind. Andererseits entsprechen aber auch kationische chemische Gruppen, wie z. B. Ammoniumgruppen erfindungsgemäß dem Charakter eines Akzeptors. Bei dieser Gruppe von Aktzeptoren erfolgt die reversible Änderung der Anordnung der Molekülsequenzen durch Änderung eines elektrostatischen Kraftfeldes. Als Sekundäraktzeptoren sind in diesem Falle erfindungsgemäß Metalle oder metallische Legierungen besonders gut geeignet, da sich deren Oberfläche durch Anlegung einer Spannung zwischen einem kationischen und anionischen Zustand reversibel umschalten läßt. Dies bedingt dann ein elektrostatisches Kraftfeld, daß die Anziehung bzw. Abstoßung der Akzeptoren bewirkt. Die Folge ist eine reversible Änderung in der Anordnung der Molekülsequenzen.It has also been shown that anionic chemical groups such as silicate, nitrate, Nitrite, sulfide, carboxylate, sulfonate, sulfate, hydrogen sulfate, phosphate, Hydrogen phosphate or metallate groups (e.g. chromate, manganate or Molybdate groups) are suitable as acceptors. On the other hand, they also correspond cationic chemical groups, such as. B. ammonium groups according to the invention Character of an acceptor. This group of actuators is reversible Changing the order of the molecular sequences by changing one electrostatic force field. In this case, the secondary reactors are Metals or metallic alloys according to the invention are particularly suitable since whose surface by applying a voltage between a cationic and reversibly switch anionic state. This then requires electrostatic force field that the attraction or repulsion of the acceptors causes. The result is a reversible change in the arrangement of the Molecular sequences.
Erfindungsgemäß ist aber allgemein die Verwendung von elektrisch leitenden Substanzen als Sekundärakzeptoren vorgesehen.According to the invention, however, is generally the use of electrically conductive Substances provided as secondary acceptors.
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