Strukturierte weiche Schichten auf einer Schwingquarz-Mikrowaage (QCM): Ein Programm zur Berechnung der Frequenzverschiebungen und Bandbreiten basierend auf der Lattice-Boltzmann Methode

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gunther Brenner; Professor Dr. Diethelm Johannsmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324062370

Aufbauend auf einer linearisierten Variante der Lattice-Boltzmann Methode (der Frequency-Domain Lattice Boltzmann Method) sollen Simulationen durchgeführt werden, welche das Verhalten Quarz-Resonatoren (QCMs für Englisch Quartz Crystal Microbalance) im Kontakt mit strukturierten Proben in der flüssigen Phase nachstellen. Es ist in erster Linie an partikuläre Adsorbate mit geringer Dicke (wie z.B. globuläre Proteine) gedacht. Systematisch variiert werden soll neben den geometrischen Parametern und der Steifigkeit stets auch der Bedeckungsgrad. Vorhergesagt werden die Verschiebungen der Resonanzfrequenzen und der Resonanzbreiten auf den verschiedenen Obertönen des Resonators. Während für planare Schichtsysteme Modelle für das Verhalten der QCM seit langem existieren, ist für partikuläre Proben die Beziehung zwischen Bedeckungsgrad und Frequenzverschiebung nicht quantitativ verstanden. In einem ersten Schritt soll für dünne, starre Adsorbate der Einfluss der mitbewegten Flüssigkeit auf die apparente Masse (die letztere errechnet aus Resonanzfrequenzen vermittels der einfachen Sauerbrey Gleichung) quantifiziert werden. Dabei sollen Partikel verschiedener Form Zufalls-bestimmt auf der Resonator-Oberfläche abgelegt werden. Es wird eine Rolle spielen, ob die Partikel lateral aggregieren oder nicht. In einem zweiten Schritt sollen die Konsequenzen einer endlichen Steifigkeit des Kontakts zwischen Substrat und adsorbiertem Partikel studiert werden. Man vermutet, dass eine Bewegung der Partikel relativ zum Substrat die Resonanzbreite ansteigen lässt. Diese Vermutung soll überprüft und quantifiziert werden. Es sollen Strategien zu Inversion gefunden werden: Für bestimmte bedeutsame Konfigurationen sollen aus den Simulationen Regeln abgeleitet werden, gemäß derer aus experimentellen Werten für obige Parameter Aussagen über Partikelgröße, die Kontaktsteifigkeit, und das Ausmaß der Aggregation getroffen werden können. In einem zweiten Projekt-Teil soll der Code in Hinblick auf eine verbesserte Genauigkeit der Kräfte an den Partikel-Oberflächen erweitert werden. Dieser Schritt soll das Studium von Proben erleichtern, deren Abmessungen vergleichbar mit der Schallwellenlänge sind. Für solche Proben besteht mit dem existierenden Code ein technisches Problem. (Für akustisch dünne Proben kann dies Problem umgangen werden.) Adsorbierte Partikel mit einer Größe von etwa der Schallwellenlänge zeigen sogenannte gekoppelte Resonanzen. Gekoppelte Resonanzen kann man als Absorptionslinien in einer Scherwellen-Spektroskopie auffassen. Dabei gibt es, wie in der IR-Spektroskopie auch, mehrere denkbare Moden der Bewegung der Partikels. Es soll eine Methodik erarbeitet werden, zu experimentell gefundenen gekoppelten Resonanzen die zugehörigen Schwingungsmoden zu identifizieren. Zum Beispiel soll zwischen einer tangentialen Bewegung des Kontakts (slipping mode) und einer Biegebeanspruchung des Kontakts (rocking mode) unterschieden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen