Forschungsstrategie und -konzept

Schematisches Prinzip der Summenfrequenz-Schwingungsspektroskopie (SFG), welche wir in unserer Gruppe verwenden, um die molekulare Struktur von Grenzflächen in situ zu untersuchen.
© B. Braunschweig 2021

Fluide Grenzflächen sind in verschiedenen Materialien wie Schäume und Emulsionen vorhanden in denen sie sowohl mikroskopische als auch makroskopische Eigenschaften und Funktionen dominieren können.

Die Verbesserung unseres Verständnisses der Chemie flüssiger Grenzflächen ist daher nicht nur für molekulare Selbstorganisation oder für die Organisation von Makromolekülen wie Polymeren und Proteinen an Grenzflächen interessant, sondern auch von entscheidender Bedeutung in Nanowissenschaften oder in der heterogenen Katalyse, um nur zwei von vielen Beispielen zu nennen.

Neben einem grundlegenden molekularen Verständnis der Chemie und Physik an Grenzflächen besteht ein großes Potenzial, dieses Wissen auch nutzen zu können, um zum Beispiel neue grenzflächengesteuerte und hierarchische Materialien aus weicher Materie wie Schäume und Emulsionen mit neuen Eigenschaften zu erzeugen.

Derzeit werden beispielsweise von uns adaptive oder responsive Grenzflächen, Schäume und Emulsionen untersucht, welche ihre Eigenschaften auf Grund einer äußeren Anregung (Licht und Temperatur) verändern können. Voraussetzung, um diese Herausforderung zu meistern, ist die Vermessung der Eigenschaften molekularer Bausteine an Grenzflächen. Diese können einfache Tenside aber auch Makromoleküle und deren Aggregate umfassen, welche wir einsetzen um Eigenschaften auch auf größeren Längenskalen zu kontrollieren.

Dazu verwenden wir in unserem Arbeitskreis insbesondere nichtlineare optische Laserspektroskopie wie die Summenfrequenz-Schwingungsspektroskopie (engl. Sum-Frequency Generation oder kurz SFG) sowie die optische Frequenzverdopplung  (engl. Second-Harmonic Generation oder kurz SHG), welche orthogonal zu vorhandenen anderen experimentellen Methoden eingesetzt wird. Für die nichtlinear optische Spektroskopie verwenden wir ultrakurze Laserpulse, welche wir nutzen um die molekulare Struktur von Grenzflächen im Detail aufzulösen. Dabeistehen nicht nur Gleichgewichtsysteme im Fokus unserer Forschung, sondern auch solche bei denen zum Beispiel chemische Reaktionen an Grenzflächen ablaufen können und zeitaufgelöst untersuchen.

Dazu kombinieren wir SFG- und SHG-Spektroskopie mit komplementären Methoden wie Tensiometrie, Oberflächendilatationsrheologie und anderen Methoden wie verschiedene Filmwaagen. Aus der bisherigen und aktuellen Forschung der Gruppe lassen sich die folgende Forschungsschwerpunkte identifizieren:

  • Entwicklung experimenteller Methoden zur Grenzflächenspektroskopie

  • Adsorption, ionenspezifische Effekte und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in weicher Materie

  • Responsive und adaptive Grenzflächen und weiche Materie, welche auf Licht- und Temperaturstimuli reagieren

  • Elektrochemische Reaktionen an Elektrode/Elektrolyt-Grenzflächen

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in wässrigen Schäumen, bei denen makroskopische Eigenschaften wie Stabilität und Blasengrößenverteilung durch die Grenzflächeneigenschaften oberflächenaktiver molekularer Bausteine wie Tenside, Polymere oder Proteine gesteuert werden können.
© B. Braunschweig and E. Weißenborn 2021
  • Responsive Materialien und Grenzflächen

    Fluide Grenzflächen sind eine einzigartige Plattform sind, um schaltbare Bausteine auf molekularer Ebene und in kompakten Geometrien d.h. mit starken lateralen Wechselwirkungen zu untersuchen. Beispielsweise können wir Grenzflächen durch Adsorption und anschließende Selbstorganisation von Molekülen leicht mit maßgeschneiderten molekularen Bausteinen modifizieren und so die molekularen Eigenschaften auf die der Grenzfläche übertragen. Darüber hinaus haben wir mehrere Beispiele dafür, wie Grenzflächeneigenschaften auf größeren makroskopischen Längenskalen das Verhalten weicher Materialien wie Schäume oder Emulsionen dominieren können. Unser Ansatz ermöglicht es Materialeigenschaften durch das molekulare Design vorhandenen Grenzflächen zu prägen, wodurch wir zum Beispiel mit der Verwendung von molekularen Schaltern an Grenzflächen sowohl die Grenzflächen- als auch Materialeigenschaften durch externe Stimuli wie Temperatur oder Licht gezielt manipulieren können.

    Dazu verwenden wir photoschaltbare Amphiphile mit deren Hilfe wir insbesondere durch die Beleuchtung mit Licht zeitlich und räumlich lokalisierte Reaktionen auslösen die auch eine Steuerung von Materialeigenschaften ermöglichen. In zukünftigen Arbeiten schlagen wir vor, amphiphile molekulare Schalter wie Arylazopyrazol-Derivate zu verwenden, um diese mit unterschiedlichen elektrostatischen sowie zusätzlichen dispersen Wechselwirkungen an der Grenzfläche auszustatten und so deren Fähigkeit Grenzflächeneigenschaften mit Licht zu verändern massiv zu verbessern.

    Neben den schaltbaren Tensiden verwenden werden als weitere Bausteine Makromoleküle wie thermoresponsive Polymere z.B. Hydroxypropylcellulose von uns untersucht. Wir setzen diese Arbeit derzeit fort, indem wir Polymer-Mischungen mit Arylazopyrazol-Tensiden untersuchen, um multiresponsive sowie adaptive Eigenschaften an Grenzflächen und in Schäumen zu erreichen.

    Links: Lichtschaltbare Polymer-Tensid-Wechselwirkung unter Verwendung eines thermoresponsiven Polymers und eines photoschaltbaren Tensids. / Rechts: Übergang von einer molekularen Monolage zu einer Doppellage von Arylazopyrazol-Tensiden an der Wasser-Luft-Grenzfläche sowie schematisch die Charakterisierung mit Hilfe der Summenfrequenz-Schwingungsspektroskopie (SFG) und der Neutronen-Reflektometrie (NR).
    © Left: Reproduced from Weißenborn et al. Chem. Commun., 2021, DOI: 10.1039/D1CC02054 with permission from The Royal Society of Chemistry / Right: Adapted with permission from Honnigfort et al. Chem. Sci., 2020, 11, 2085 DOI: 10.1039/C9SC05490A - Published by The Royal Society of Chemistry
  • Schaltbare Benetzungseigenschaften welche durch photoresponsive Moleküle hervorgerufen wird. Hier kann entweder die Fest/Flüssig- oder die Flüssig/Gas-Grenzfläche mit Photoschaltern funktionalisiert werden.
    © B. Braunschweig and C. Honnigfort

    Molekulare Selbstorganisation an festen Oberflächen und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Benetzungsdynamik organischer Dünnfilme mit Photoschaltern

    In diesem Projekt untersuchen wir das dynamische Benetzungsverhalten von photoschaltbaren Oberflächen. Dazu werden Festkörperoberflächen mit Photoschaltern funktionalisiert, um die Benetzungseigenschaften des Festkörpers reversibel verändern können. Solche Prozesse sind von großem Interesse in Anwendungen z.B. für selbstreinigende Oberflächen, in der Mikrofluidik oder für abstimmbare Linsen.

    Aber selbst für passive Oberflächen, die ihre molekularen Eigenschaften nicht mehr ändern können, wenn sie mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommen, ist eine quantitative Beschreibung der Benetzungsdynamik noch immer eine große Herausforderung. Dies gilt insbesondere dann, wenn auch Änderungen auf molekularer Ebene durch Anpassung des Substrats an unterschiedliche chemische Umgebungen oder das (von uns) gewünschte Schalten der Moleküle in der Oberfläche mit Licht berücksichtigt werden müssen. Wir konnten zeigen, dass selbst sehr einfache selbstorganisierte Monoschichten, welche Moleküle mit langen Alkylketten (z. B. C12 oder C18) aufweisen, eine andere Struktur aufweisen, wenn sie von einem polaren Lösungsmittel benetzt werden. Aus diesem Grund glauben wir, dass ein Verständnis der Benetzungsdynamik von photoschaltbaren Substraten Informationen auf molekularer Ebene über die Substratdynamik und Strukturänderungen unter verschiedenen Lichtbedingungen sowie verschiedenen chemischen Umgebungen erfordert. Zur Aufklärung dieser Prozesse auf der molekularen Ebene wird nichtlineare optische Spektroskopie eingesetzt.

  • Reactions at Electrode/Electrolyte Interfaces

    In this project, we use our expertise in nonlinear optical scattering to study electrocatalytic reactions in situ and partly also in operando. Currently we have a strong focus on the catalysis of CO2 in room temperature ionic liquids (ILs). In CO2 catalysis, ILs have been shown to yield low overpotentials and reduction reactions that can occur at potentials close to the theoretical thermodynamic potential. This makes ionic liquids highly interesting electrolytes for CO2 catalysis. However, in comparison to aqueous electrolytes, where extensive studies exist, we have just started to understand CO2 reduction reactions (CO2RR) on catalyst surfaces in contact with ionic liquids. For that, our group has established new in situ and in operando spectroscopies that can provide detailed molecular level information on CO2RR. So far, our work was focused mostly on Pt electrode surfaces which were the ideal choice to understand the molecular origin of the low overpotentials for CO2RR. In the future, we want to go beyond the fundamentally useful but for real world applications irrelevant Pt catalysts to new and much more relevant Cu and Cu/Au surface alloys have not been studied in ionic liquids in detail yet, but are expected to yield C1 products like HCOOH and possibly also C2 products. Several work packages will concentrate on delivering molecular level information from in situ/in operando spectroscopy of CO2 reaction pathways for Cu electrodes, while we also plan to extract the products from CO2RR in a continuous process. This will be done in a separate working package that is run parallel to the other addressing more fundamental aspects of CO2RR in ionic liquids.

    • A. Kemna and B. Braunschweig, Potential-Induced Adsorption and Structuring of Water at Pt(111) Electrode Surfaces in Contact with an Ionic Liquid, J. Phys. Chem. Lett. 11, 7116-7121 (2020)
    • B. Ratschmeier, A. Kemna, B. Braunschweig, Role of H2O for CO2 Reduction Reactions at Plati-num/Electrolyte Interfaces in Imidazolium Room-Temperature Ionic Liquids, ChemElectroChem 7, 1765-1774 (2020)
    • A. Kemna, N. García Rey and B. Braunschweig, Mechanistic Insights on CO2 Reduction Reactions at Platinum/[BMIM][BF4] Interfaces from In Operando Spectroscopy, ACS Catalysis 8, 6284-6292 (2019)
    • B. Braunschweig, P. Mukherjee, J. L. Haan and D. D. Dlott, Vibrational sum-frequency generation study of the CO2 electrochemical reduction at Pt/EMIM-BF4 solid/liquid interfaces, J. Electroanalytical Chem. 800, 144-150 (2017)
    • B. Braunschweig and Andrzej Wieckowski, Surface Spectroscopy of Pt(111) Single-Crystal Electro-lyte Interfaces with Broadband Sum-Frequency Generation, J. Electroanal. Chem. 716, 136-144 (2014)
    • B. Braunschweig, D. Hibbitts, M. Neurockand, A. Wieckowski, Electrocatalysis: a Fuel Cell and Sur-face Science Perspective, Catalysis Today 202, 197-209 (2013)

     

    Left: Lowering of the activation barrier for CO2 reduction reactions at the electrode/electrolyte interface in the presence of imidazolium cations like [BMIM]. / Right: Sum-frequency generation spectroscopy for the characterization of electrochemical reactions at the electrode/electrolyte interface. Here we present the proposed structure of an ionic liquid electrolyte with mM water concentrations at the Pt(111) surface.
    © Left: B. Braunschweig and B. Ratschmeier / Right: Reprinted with permission from J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 17, 7116–7121. Copyright 2020 American Chemical Society
  • Interface characterization using sum-frequency generation spectroscopy to address surface charging and ion specific effects of macromolecules and surfactants at liquid interfaces.
    © Reproduced from Langmuir 2018, 34, 39, 11714–11722. CC-BY-NC-ND license

    Surfactants and Macromolecules at Electrified Interfaces

    Particularly, ions are of great importance as they can specifically bind to charge determining groups of proteins such as carboxylates or in analogous way bind to surfactants or polyelectrolytes. In addition, ions within the electric double layer of a charged interface can screen the interfacial electric field that is produced by the presence of e.g. proteins or surfactants and their net charge. Ion partitioning at interfaces can also directly inhibit bubble coalescence. Thus, specific ion adsorption due to ion pairing and ion partitioning can be applied to tune interfacial intermolecular interactions by either screening the interfacial electric field but also by enforcing a charge reversal upon the interface. The effects of ions on the molecular structure of neat water surfaces are equally im-portant and will be addressed in a similar way. In general, the issue of ions at aqueous interfaces impacts a long-standing problem on the origin of salt effects on the solubility of proteins and other macromolecules or colloidal particles which was originally invoked by Hofmeister. A particular focus is on the effects of ions on surface charge, molecular order and structure of surface adsorbates (proteins, polyelectrolytes, surfactants and their mixtures) since the presence of ions can significantly change intermolecular interactions at the interface from attractive to repulsive.

    Field effects can lead to substantial changes in the SFG spectrum of interfacial water molecules and can be used to track changes that are associated with different surface charging conditions. For these studies, we will systematically vary the salt and its concentration in the electrolyte so that we can compare series of SHG/SFG experiments from hard ions to soft ions. As we perform these studies with different molecules, that have quite different charge determining groups e.g. amines, carboxylate or sulfates, we can also address ion pairing at these groups as well as ion partitioning at hydrophobic parts of modified liquid interfaces. Here, we combine SFG spectroscopy with measurements in a thin-film pressure balance were the disjoining pressure in foam films can be determined. In fact, we could very recently demonstrate that these two methods provide complementary information (see García Rey et al. in JPCC (2019) below).

    • M. E. Richert, G. Gochev and B. Braunschweig, Specific Ion Effects of Trivalent Cations on the Struc-ture and Charging State of β-Lactoglobulin Adsorption Layers, Langmuir (under review in revised form)
    • M. García Rey, E. Weißenborn, F. Schulze-Zachau, G. Gochev, B. Braunschweig, Quantifying Dou-ble-Layer Potentials at Liquid-Gas Interfaces from Vibrational Sum-Frequency Generation, J. Phys. Chem C 123, 1279-1286 (2019)
    • F. Schulze-Zachau, S. Bachmann, B. Braunschweig, Effects of Ca2+ Ion Condensation on the Mo-lecular Structure of Polystyrene Sulfonate at Air-Water Interfaces, Langmuir 34, 11714-11722 (2018)
    • S. Streubel, F. Schulze-Zachau, E. Weißenborn, B. Braunschweig, Ion Pairing and Adsorption of Azo Dye/C16TAB Surfactants at the Air−Water Interface, J. Phys. Chem. C 121, 27992−28000 (2017)
    • B. Braunschweig, F. Schulze-Zachau, E. Nagel, K. Engelhardt, S. Stoyanov, G. Gochev, Khr.Khristov, E. Mileva, D. Exerowa, R. Miller and W. Peukert, Specific effects of Ca2+ ions and molecular structure of β-lactoglobulin interfacial layers that drive macroscopic foam stability, Soft Matter 12, 5995 (2016)
    • F. R. Beierlein, T. Clark, B. Braunschweig, K. Engelhardt, L. Glas, W. Peukert, Carboxylate Ion Pair-ing with Alkali-Metal Ions for β-Lactoglobulin and Its Role on Aggregation and Interfacial Adsorption, J. Phys. Chem. B 119, 5505 (2015)

     

  • Second-harmonic scattering (SHS) for characterization of interfaces in colloidal systems. Here the charging state of amphoteric particles was studied with SHS.
    © Reprinted with permission from J. Phys. Chem. C 2014, 118, 19, 10033–10042. Copyright 2014 American Chemical Society

    Interface Characterization in Colloids with Nonlinear Optical Scattering Methods

    A molecular understanding of nanoparticle surfaces and their functionalization is of great importance not only from fundamental aspects but is also highly demanded in specific applications. However, the mechanism and the kinetics of nanoparticle surface modification are still widely unknown on a molecular level, which is due to a lack of in situ techniques with high temporal resolution. In our present work we were able to follow the adsorption kinetics e.g. of thiolates on citrate stabilized Au nanoparticles by applying second-harmonic light scattering (SHS) and have separated in situ adsorption on defect and terrace sites which was hitherto not accessible.

    We expect that our research will help to optimize functionalization of Au nanoparticle surfaces and that the mechanistic understanding which we provide can be transferred also to other nanoparticle systems. Furthermore, we have applied SHS to study double layer charging and the orientation of water molecules at surfaces of polymer particles. Changing the pH has a dramatic effect on the surface potential which can be in many cases tuned from positive to negative values and has allowed us to record changes in SHS signals while the isoelectric point of the particles is being crossed. The SHS signal is a function of two contributions which are directly related to the first molecular layer, its orientation, and to a second electric field induced contribution of the unidirectional field within the interfacial electric double layer. Through additional charge screening experiments we measured the surface charge density for positively as well as for negatively charged particle surfaces and confirmed the isoelectric point, where an increase in ionic strength had little effect on the SHS intensity. Furthermore, we have determined the net orientation of water molecules directly adsorbed to the particle surface from pH-dependent changes in the relative phase of the two SHS contributions. Using SHS we can also identify morphology changes where we could provide new information on the growth of Au nanoshells with an in situ study that has used a combination of in situ SHS and UV-Vis spectroscopy and ex situ scanning electron microscopy.

    • R. Dinkel, J. Jakobi, A.R. Ziefuß, S. Barcikowski, B. Braunschweig, W. Peukert, Role of Citrate and NaBr at the Surface of Colloidal Gold Nanoparticles during Functionalization, J. Phys. Chem. C 122, 27383-27391 (2018)
    • R. Dinkel, W. Peukert and B. Braunschweig, In situ spectroscopy of ligand exchange reactions at the surface of colloidal gold and silver nanoparticles, J. Phys.: Cond. Mat. 29, 133002 (2017) Invited Re-view
    • R. Dinkel, B. Braunschweig, W. Peukert, Fast and slow ligand exchange at the surface of colloidal gold nanoparticles, J. Phys. Chem. C 120, 1673 – 1682 (2016)
    • C. Sauerbeck, B. Braunschweig and W. Peukert, Surface charging and interfacial water structure of amphoteric colloidal particles, J. Phys. Chem. C 118, 10033-10042 (2014)
    • C. Sauerbeck, M. Haderlein, B. Schürer, B. Braunschweig, W. Peukert and R.N. Klupp Taylor, Shed-ding Light on the Growth of Au Nanoshells, ACS Nano 8, 3088-3096 (2014)
  • ERC Logo
    © Prof. Braunschweig

    ERC Grant SUPERFOAM

    ERC Grant SUPERFOAM

    Foams are ubiquitous in our daily lives be it as milk foam on our cappuccino or as heat insulation of the building we live in.
    The various important technological applications range from lightweight materials, waste water treatment to recycling of rare earth metals via ion flotation just to mention a few.
    The vast number of possibilities to use foam in industrial processes and products originate from a unique tunability of optical, mechanical as well as chemical properties. This makes foams to an exciting object of current interdisciplinary research.

    Although making aqueous foam is surprisingly easy as one “simply” has to lower the water’s surface tension by additions of surface active molecules, the foam is in most cases inherently unstable. Furthermore, foam formulation is usually performed purely empirically because the actual driving forces must be controlled on several length scales that reach down to the molecular level. For that reason understanding and controlling foam properties with a bottom-up approach is a major challenge in current research.

    Structure-Property Relationship

    Foams are hierarchical materials and as such they are greatly affected by the arrangement and distribution of gas bubbles on a macroscopic scale as well as on thickness and composition of lamella on a mesoscopic scale.
    Although they are hidden in the bulk, liquid-gas interfaces are a building block of foams with overwhelming importance.
    Thus composition, conformation and intermolecular interactions of a few molecular layers at liquid-gas interfaces – that are ubiquitous in aqueous foam – determine properties throughout the entire hierarchical chain.

    Structure-Property Relationship
    © B. Braunschweig and E. Weißenborn 2021

    Methodology of the SUPERFOAM project

    In order, to put foam formulation and also our knowledge on foams on a molecular basis we need to characterize the latter in situ and on a molecular level. For that reason, our goal is to identify molecular building blocks which are comprised of solutes, ions and solvents at interfaces and their interactions that make the most stable foams or drive other foam properties. Once identified, we can use these building blocks to break the ground for new ways in foam formulation and related fields. Specifically, from this project we will get a library of structure-property relationships (SUPER) from which we can select molecular ingredients, tailor their interactions and thus generate FOAM based on molecular control.

    Experimental Approach

    The main focus of the ERC Starting Grant project SUPERFOAM will be on the molecular structure of interfaces and in situ charac-terization of interfaces. These experiments are a nucleation point for further studies on larger length scales - lamella, bubbles and macroscopic foam - which will be performed with solutions of identical composition. The approach will enable us to trace foam properties, bubble coalescence and lamella properties back to the actual molecular structures defining them. For that reason, we will divide the project into small work packages, which we can handle experimentally. At the conclusion of this project, we can unite the individual parts into a single concept on how molecular structures at gas-water interfaces should look like in order to make foam with the desired properties.

    Interfaces

    • Structure
    • Composition
    • Charging
    • Adsorption kinetics of surface active molecules

    Foam films and rising bubbles

    • Composition
    • Disjoining Pressure

    Macroscopic Foam

    • Bubble size distribution
    • Stability & more