Kontrollierter Transport und Anordnung von weicher Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Arash Nikoubashman
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274340645

Das Hauptziel dieses Antrags ist es, das physikalische Verhalten von Kolloid-Polymer Mischungen innerhalb und außerhalb des Gleichgewichts zu untersuchen. Solche Mischungen spielen eine wichtige Rolle für eine Vielzahl von wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen. So werden beispielsweise häufig kurze Polymerketten zur Manipulation von Kolloidlösungen beigemischt oder (anorganische) Nanoteilchen als Füllmaterial in Polymerschmelzen eingearbeitet. Das geplante Forschungsvorhaben ist in zwei Unterprojekte gegliedert, die sich mit der Struktur und dem Fließverhalten von amphiphilen Polymer-Mischungen (WP1), und der Packung von polymergepfropften Nanopartikeln und dem Transport in solchen Systemen (WP2) befassen.WP1: In den letzten Jahrzehnten wurde sowohl das Gleichgewichts- als auch das Fließverhalten von binären Kolloid-Polymer Mischungen in guten Lösungsmitteln untersucht. In solchen Fällen sind die Wechselwirkungen rein abstoßend, so dass entropische Effekte das physikalische Verhalten dominieren. In den meisten experimentellen Systemen gibt es jedoch eine nicht vernachlässigbare Diskrepanz der Lösungsmittelqualität, was zu einer spürbaren Attraktion zwischen den Teilchen führen kann. Diese Situation ist wesentlich komplexer als der athermische Grenzfall, da die Teilchen (reversible) Aggregate formen können. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, plane ich Mischungen aus amphiphilen Janus Kolloiden und entweder hydrophoben oder amphiphilen Polymeren zu simulieren. Insbesondere soll hier sowohl das Verhalten im Gleichgewicht als auch unter Scherung betrachtet werden, da die Polymere Brücken zwischen den Kolloiden formen und diese somit gegen ein Auseinanderbrechen stabilisieren können.WP2: Eine weitere interessante Realisierung von Kolloid-Polymer Mischungen sind polymergepfropfte Nanopartikel, bei denen weiche (organische) Polymere direkt auf die Oberfläche starrer (anorganischer) Nanoteilchen aufgepfropft sind. Diese effektiv Einkomponentensysteme haben oftmals verbesserte Materialeigenschaften im Vergleich zu konventionellen Polymerschmelzen oder Nanoverbundstoffen. Die makroskopischen Eigenschaften dieser Systeme hängen in der Regel von den mikroskopischen Merkmalen der einzelnen Teilchen ab, wie zum Beispiel die Dichte und Länge der aufgepfropften Polymerketten. Deshalb plane ich, theoretische Modelle aufzustellen und Simulationen durchzuführen, in denen ich sowohl die Form und Größe der Polymerkorona als auch die Anordnung der Nanoteilchen untersuche. Abschließend plane ich noch den Transport von freien Polymeren und/oder kleinen Molekülen durch das System zu studieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen