Electrochemically switchable adhesion of a catechol functionalized monolayer

Abstract

The adhesion of marine mussels has peaked the interest of many in the scientific community because of their ability to firmly attach to a wide range of substrates in wet and saline conditions. Such environments are generally unfavorable for conventional synthetic adhesives. With the hope of developing better, potentially biocompatible adhesives a lot of work has gone into studying the mechanisms involved in mussel adhesion. The catechol functional group has been found to be crucial in the attachment process and a large number of studies using the surface force apparatus have looked into catechol mediated adhesion. In addition, the catechol group is also able to undergo a redox reaction and has been well studied using electrochemistry. Yet, so far, these two aspects of catechol chemistry have remained largely disconnected. This work aims to demonstrate a way to connect these two approaches. A catechol functionalized self assembled monolayer was produced and then characterized using cyclic voltammetry. It was then put up against different surfaces in the electrochemical surface force apparatus where a potential dependent, switchable adhesion was measured against mica. Furthermore, adhesion was strongly dependent on the ionic strength of the environment. This observation may help understand which mechanisms mussels use in nature to form adhesive bonds. Altogether, the combination of a functionalized monolayer and the electrochemical surface force apparatus provides a promising sample system for future study of the interfacial behavior of catechols and other electrochemically active functionalities. As a side product of this work, a new design for a thin film electrode was developed and improvements were made to an electrochemical cell setup, which will potentially benefit future work in catechol electrochemistry and other research areas.

Die Adhäsion von Meeresmuscheln hat das Interesse vieler in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geweckt, da sie in der Lage sind, sich fest an einer großen Vielfalt von Substraten festzusetzen, selbst in nasser und salziger Umgebung, die generell ungünstig für konventionelle, synthetische Klebstoffe ist. Mit der Hoffnung auf die Entwicklung besserer, potentiell biokompatibler Klebstoffe, sind große Anstrengungen in die Untersuchung der involvierten Adhesionsmechanismen geflossen. Die funktionelle Gruppe der Catechole hat sich als entscheidend für den Adhäsionsprozess herausgestellt, weshalb sich eine große Anzahl wissenschaftlicher Studien mit der Catechol-basierten Haftung im Oberflächenkraftapparat befasst hat. Abgesehen davon, ist die Catechol-Gruppe aber zu einer Redox-Reaktion fähig, die mittels elektrochemischer Verfahren gut untersucht ist. Bis jetzt sind diese beiden Aspekte aber großteils getrennt voneinander betrachtet worden. Diese Arbeit soll eine Möglichkeit aufzeigen, diese beiden Ansätze zu vereinen. Eine Catechol-funktionalisierte, selbstorganisierte Monoschicht wurde produziert und mittels zyklischer Voltammetrie untersucht und charakterisiert. Sie wurde dann im elektrochemischen Oberflächenkraftapparat gegen verschiedene Oberflächen untersucht, wobei eine Potentialabhängige, schaltbare Adhäsion gegen Mica gemessen wurde. Zusätzlich wurde eine starke Abhängigkeit der Adhäsion von der Ionenstärke beobachtet. Dies könnte helfen zu verstehen, wie sich Meeresmuscheln in der Natur an Oberflächen anhaften. Die Kombination aus einer funktionalisierten Monolage und dem Oberflächenkraftapparat bietet ein vielversprechendes Testsystem für die zukünftige Untersuchung des Verhaltens von Catecholen und anderer elektrochemisch aktiver Funktionalitäten an Grenzflächen. Im Laufe dieser Arbeit wurde außerdem ein neues Design für eine Dünnschicht- Elektrode entworfen, und es wurde eine existierende elektrochemische Zelle verbessert, was eventuell zukünftigen Arbeiten an der Catechol Elektrochemie und in anderen Bereichen zugute kommen wird.