Light-fuelled motions in azobenzene-containing materials: From supramolecular design to new applications

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPriimägi, Arri, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.contributor.authorKoskela, Jenni E.
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labSoft Matter and Wettingen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorRas, Robin H. A., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2014-12-19T10:00:30Z
dc.date.available2014-12-19T10:00:30Z
dc.date.defence2015-01-23
dc.date.issued2014
dc.description.abstractAzobenzene-containing materials represent a versatile class of stimuli-responsive systems, in which light can be used to trigger a variety of fascinating phenomena. Owing to their rapid and reversible photoisomerization, azobenzenes are efficient molecular photoswitches that enable effective control over a number of properties of the host material. Moreover, the nanoscale photoisomerization reaction can actuate various large-scale molecular motions in the system, such as the light-driven macroscopic mass transport. Under certain conditions, polarized light can be used to induce macroscopic movement in a glassy material, which results in a well-defined topographic pattern on the film surface. During the past two decades, a vast amount of research has been devoted to understand the microscopic origin of these motions. On the other hand, the light-induced phenomena in azomaterials have demonstrated huge potential in numerous application areas ranging from photonics to biology. Still, many aspects of the intricate relationship between the light-triggered macroscopic effects and the material properties remain unresolved.  This thesis aims to unveil new possibilities for the light-induced motions in terms of material design and application potential. Importantly, the recent advancements in supramolecular design of light-responsive materials are exploited in order to present new implications on the surface patterning phenomenon and to explore its fundamental limits. First, hydrogen-bonded azobenzene–polymer complexes with versatile optical properties over a broad spectral range are presented. Secondly, azobenzene-oligomer complexes with extremely low azobenzene content are used to systematically seek for the lowest amount of azobenzene that is still capable of inducing mass transport. The phenomenon is also taken to another extreme, as the light-induced surface patterns are shown to occur in azobenzene-functionalized dendrimers and native biomolecules with exceptionally high molecular weight. Finally, the immense yet largely unexploited application potential of the light-induced surface patterning is discussed and the use of the patterns in the nanofabrication of plasmonic hole arrays is demonstrated. This thesis presents new means to understand the complex structure-performance relationships in azomaterials and suggests novel uses for the light-induced surface patterns.en
dc.description.abstractAtsobentseeni ja sen johdannaiset ovat väriainemolekyylejä, jotka sopivalla aallonpituudella valaistaessa muuttavat muotoaan stabiilista trans-muodosta metastabiiliin cis-muotoon. Isomeroitumisreaktio on nopea ja reversiibeli, mistä johtuen atsobentseeniä sisältävien materiaalien monia ominaisuuksia voidaan muokata valolla, ja niissä voidaan saada aikaan jopa makroskooppista liikettä. Erityisen kiinnostava ilmiö on pintahilan muodostuminen lasimaisen atsomateriaalikalvon pinnalle valon interferenssikuvion vaikutuksesta. Pintahiloissa atsomateriaali kasaantuu säännöllisiksi topografisiksi kuvioiksi, joiden korkeus voi olla jopa useita mikrometrejä. Pintahilat ovat kiehtoneet tutkijoita viimeisen kahden vuosikymmenen ajan, ja niille on kehitetty monentyyppisiä sovelluskohteita fotoniikasta biologiaan. Yhtenevää ja kaikenkattavaa selitystä pintahilojen muodostukselle ei kuitenkaan ole vielä esitetty, ja erilaisten atsomateriaalien valovasteen monimutkaisten yksityiskohtien selvittäminen vaatii runsaasti lisätyötä ennen kuin ilmiötä voidaan tehokkaasti hyödyntää käytännön sovelluksissa.  Tämä väitöskirja esittelee kokeellista tutkimusta, jonka tavoitteena on lisätä atsomateriaalien rakenteen ja valoliikkeen välisten lainalaisuuksien ymmärrystä ja antaa ehdotuksia uusista, vielä selvittämättömistä hyödyntämismahdollisuuksista. Työssä on valmistettu uusia valoaktiivisia materiaaleja supramolekylääristä funktionalisointia hyödyntäen, minkä ansiosta pintahilojen muodostusta voidaan tutkia materiaalin rakenteeseen liittyvien ääriesimerkkien avulla. Ensinnäkin, työssä tutkitaan vetysitoutuneita bisatso–polymeerikomplekseja, joissa valon indusoimat liikkeet ilmenevät tehokkaasti laajalla aallonpituusalueella. Toiseksi, vastaavanlaisten pienimoolimassaisten atso–polymeerikompleksien avulla etsitään pienintä mahdollista atsobentseenipitoisuutta, jolla pintahiloja voidaan vielä kirjoittaa. Toisaalta pintahilojen muodostusta tutkitaan atsobentseenifunktionalisoiduissa suurimoolimassaisissa dendrimeerikomplekseissa ja osoitetaan, että pintakuviointi on mahdollista myös suurista, pallomaisista biomolekyyleistä koostuvissa kalvoissa. Lopuksi työssä selvitetään valoherätteisen pintakuvioinnin monipuolisia sovelluskohteita, joista esimerkkinä esitellään pintakuvioiden hyödyntämistä plasmonisten kultananorakenteiden valmistuksessa.fi
dc.format.extent86 + app. 44
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6031-6 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6030-9 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14719
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6031-6
dc.language.isoenen
dc.opnSánchez Somolinos, Carlos, Dr., University of Zaragoza, Spain
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Jenni E. Koskela, Jaana Vapaavuori, Juho Hautala, Arri Priimagi, Charl F. J. Faul, Matti Kaivola, and Robin H. A. Ras. Surface-Relief Gratings and Stable Birefringence Inscribed Using Light of Broad Spectral Range in Supramolecular Polymer-Bisazobenzene Complexes. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116, 2363–2370. DOI: 10.1021/jp210706n
dc.relation.haspart[Publication 2]: Jenni E. Koskela, Jaana Vapaavuori, Robin H. A. Ras and Arri Priimagi. Light-driven Surface Patterning of Supramolecular Polymers with Extremely Low Concentration of Photoactive Molecules. ACS Macro Letters, 2014, 3, 1196–1200. DOI: 10.1021/mz500616q
dc.relation.haspart[Publication 3]: Jenni E. Koskela, Ville Liljeström, Jongdoo Lim, Eric E. Simanek, Robin H. A. Ras, Arri Priimagi, and Mauri A. Kostiainen. Light-Fuelled Transport of Large Dendrimers and Proteins. The Journal of the American Chemical Society, 2014, 136, 6850–6853. DOI: 10.1021/ja502623m
dc.relation.haspart[Publication 4]: Robert J. Moerland, Jenni E. Koskela, Aleksandr Kravchenko, Mikael Simberg, Stefan van der Vegte, Matti Kaivola, Arri Priimagi and Robin H. A. Ras. Large-area Arrays of Three-dimensional Plasmonic Subwavelength-sized Structures from Azopolymer Surface-relief Gratings. Materials Horizons, 2014, 1, 74-80. DOI: 10.1039/C3MH00008G
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries213/2014
dc.revShishido, Atsushi, Prof., Tokyo Institute of Technology, Japan
dc.revKorppi-Tommola, Jouko E. I., Prof. Emeritus, University of Jyväskylä, Finland
dc.subject.keywordazobenzeneen
dc.subject.keywordpolymeren
dc.subject.keywordlighten
dc.subject.keywordnanostructureen
dc.subject.keywordsurface-relief gratingen
dc.subject.keywordplasmonicsen
dc.subject.keywordatsobentseenifi
dc.subject.keywordpolymeerifi
dc.subject.keywordvalofi
dc.subject.keywordnanorakennefi
dc.subject.keywordpintahilafi
dc.subject.keywordplasmoniikkafi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleLight-fuelled motions in azobenzene-containing materials: From supramolecular design to new applicationsen
dc.titleLiikettä valolla: Supramolekyläärisistä materiaaleista sovelluksiinfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64345
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526060316.pdf
Size:
3.33 MB
Format:
Adobe Portable Document Format