Dynamic adhesion and friction mediated by supramolecular bonds

Abstract

Understanding and controlling adhesive interactions on the molecular scale is one of the main challenges in the field of nanotechnology. A new surface functionalization was developed in this thesis for investigating the molecular origin of adhesive interactions from single molecular level to assemblies of multiple bonds. The surface functionalization is based on supramolecular bonds established by the inclusion of ditopic connector molecules into two cyclodextrin (CD) molecules, one attached to a tip of an atomic force microscope and the other attached to a flat silicon surface. By using different connector molecules, the dynamics in friction and adhesion can be tuned. The dynamics of the molecular system were studied with respect to single bond kinetics and the flexibility of the attachment. The control of adhesion and friction was achieved by using photosensitive connector molecules which are sensitive to an external light stimuli. In order to enhance the applicability of the surface functionalization, the CD molecules were attached onto stiff polymers which can bridge the surface roughness of real contacts. The results of this thesis provide a deeper understanding of the molecular mechanisms underlying adhesive friction and open a new pathway for actively controlling friction and adhesion.

Die Kontrolle von adhäsiven Wechselwirkungen auf molekularere Ebene ist von beson- derem Interesse im Forschungsfeld der Nanotechnologie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Oberflächenfunktionalisierung entwickelt, um die adhäsive Interaktion von Einzel- molekülen bis hin zu molekularen Essembles zu untersuchen. Die Funktionalisierung basiert auf supramolekularen Bindungen, bestehend aus einem ditopen Konnektormolekül, das an zwei Cyclodextrin (CD) Moleküle bindet, wobei das eine CD-Molekül an die Spitze eines Rasterkraftmikroskops und das andere an eine glatte Siliziumoberfläche gebunden ist. Durch die Auswahl verschiedener Konnektormoleküle kann das dynamische Verhalten von Reibung und Ahäsion angepasst werden. Die Dynamik des Kontakts wird im Hinblick auf die Kinetik einer einzelnen Bindung sowie auf die Flexibilität der Anbindung untersucht. Die Kontrolle von Adhäsion und Reibung wird mit Hilfe photosensitiver Konnektormoleküle erreicht, die sich durch einen externen Lichtstimulus schalten lassen. Um die Rauigkeit realer Kontakte zu überbrücken, wurden CD-Moleküle an Polymere angebunden, die ihrerseits an die Oberfläche und die AFM Spitze angebunden wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem tieferen Verständnis der molekularen Prozesse von adhäsiver Reibung bei und zeigen eine Möglichkeit zur aktiven Kontrolle von Reibung und Adhäsion auf.