Wechselwirkung mit Oberflächen und Dynamik von molekularen Spinsonden als Gäste in maßgeschneiderten Organosilikaten als poröse Wirtsmaterialien für die Chromatographie.

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Polarz
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246351073

Der Stofftransport in, durch und aus porösen Feststoffen spielt eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen in der Verfahrenstechnik, z.B. der Chromatographie. Es handelt sich um einen hierarchischen Prozess, der mehrere Längen- und Zeitskalen umfasst. Auf der molekularen Skala, im Bereich weniger Nanometer und Picosekunden, kommt es zu einem komplexen Wechselspiel zwischen Gast-Lösungsmittel und Gast-Porenwand Wechselwirkungen, was maßgeblich die Mobilität der Gäste in den porösen Stoffen bestimmt. Ein umfassendes und skalenübergreifendes, experimentell untermauertes Verständnis zum Transport gelöster, molekularer Spezies in (funktionalisierten) porösen Matrices ist unverzichtbar, um statt empirischer Ansätze ein gezieltes Design der porösen Stoffe für entsprechende Anwendungen (z.B. Chromatographie) realisieren zu können. Es ist aber sehr schwierig mit einer ausreichenden temporalen und spatialen Auflösung in die Poren bei technisch relevanten Bedingungen (im Lösungsmittel und bei T >= R.T.) "hineinzuschauen". Wir konnten für diesen Zweck sehr gewinnbringend die Elektronenspinresonanz- (ESR) Spektroskopie als analytisches "Auge" etablieren. Zum einen werden wir nun die ESR-Methodik weiterentwickeln, um noch genauere und vor allem Skalen-übergreifende Erkenntnisse zur Diffusion molekularer Spinsonden in den Poren zu erhalten. Desweiteren werden wir eine direkte Verschränkung mit der Synthese maßgeschneiderter, poröser Materialien anstreben, um einen viel präziseren Einfluss auf den Massetransport gelöster Spezies vornehmen zu können. Wir werden uns der spannenden Frage von Nachbargruppeneffekten widmen, welche zusätzlich zu den Aktivkomponenten vorhanden sind, wobei letztere direkt an der Gast-Oberfläche Wechselwirkung teilnehmen. Wir erwarten, dass die Mobilität der Gastmoleküle zwar hauptsächlich von der Oberflächendichte der Aktivkomponenten beeinflusst wird, dass die Nachbargruppen z.B. durch lokale Beeinflussung der Lösungsmitteleigenschaften aber ebenfalls signifikante Bedeutung haben. Die erforderlichen, systematischen Variationen der Oberflächeneigenschaften werden wir durch bifunktionelle Organosilikatmaterialien erreichen, wobei auf Grund des hohen Innovationsgrades die Materialien mit chemischen Gradienten in Kombination mit bildgebender Gradienten-ESR-Spektroskopie einen substantiellen Erkenntnisgewinn versprechen. Das bildgebende Verfahren erlaubt es, die spektroskopische Signatur der Gäste an jedem Punkt im porösen Material zu erfassen, daraus auf die lokale Dynamik und Mobilität zu schließen, und gleichzeitig kann der Stofftransport durch das poröse Medium auf der makroskopischen Skala analysiert werden. Die direkte Korrelation zwischen molekularem und makroskopischem Transport wird abschließend die Untersuchung der Trennung eines Stoffgemisches ermöglichen, spektroskopisch durch Verwendung zweier unterschiedlicher Spinsonden und im Realfall durch eine chromatographische Messung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1570: Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Malte Drescher