Polymerbürsten in konkurrierenden Lösungsmitteln: Phasenübergänge und Schaltbarkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Jens-Uwe Sommer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 367421247

Die Mischung von zwei guten Lösungsmitteln, welche aber in Konkurrenz um die Benetzung des Polymers stehen, kann zu einem Kollaps der Polymerketten und zu Phasenübergängen in elastischen Polymermaterialien führen. Dieses in der Literatur als ''co-non-solvency'' bezeichnete Phänomen kann neue Möglichkeiten der Schaltbarkeit von Polymermaterialien, wie Gele und Polymerschichten, unter einer kleinen Variation des Mischungsverhältnisses eröffnen. Auf der anderen Seite sind komplexe, mehr-komponentige Lösungsmittelumgebungen auch ein charakteristisches Merkmal biologischer Systeme. In diesem Projekt sollen die Eigenschaften von dicht gepfropften Polymerbürsten unter dem Einfluss derartiger Lösungsmittelgemische mit Hilfe von Computersimulationen und theoretischen Modellen untersucht und verstanden werden. Polymerbürsten sind neben ihrem technologischen Potential ein sehr gutes und wohldefiniertes Modellsystem zum Studium kollektiver Eigenschaften und Phasenübergänge in der Polymerphysik. Zunächst sollen die Bedingungen für einen diskontinuierlichen Kollaps-Übergang in einfachen Polymerbürsten unter der Wirkung eines konkurrierenden Lösungsmittelgemisches festgestellt und theoretisch analysiert werden. Danach sollen Doppelbürstensysteme, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Bürsten und die damit verbundene Möglichkeit der statischen Schaltbarkeit des so entstandenen Nano-Kanals untersucht werden. Weiterhin sollen die Nichtgleichgewichtseigenschaften dieser Doppelbürstensysteme unter den Bedingungen einer einfachen Strömung des Lösungsmittelgemisches simuliert und theoretisch beschrieben werden. Hierbei ist es besonders interessant die Möglichkeit der Schaltung des Kanals durch Veränderung der Strömungsbedingungen zu untersuchen, d.h. die mögliche Anwendung eines solchen Kanals als stimuli-responsives Ventil. Es sollen Molekulardynamik-Simulationen basierend auf einem vergröberten Polymermodell benutzt und für das gestellte Problem weiter entwickelt werden. In Vorarbeiten wurden bereits wesentliche Elemente der Implementierung des Simulationscodes getestet und ein vereinfachtes theoretisches Modell zur Beschreibung des Kollaps-Übergangs homogener Polymerbürsten entwickelt. Ziel des Projektes ist es, Konzepte für die gezielte Schaltbarkeit von Nanokanälen und Polymeroberflächen unter Einwirkung konkurrierender Lösungsmitteln, sowie ein universelles Verständnis für ''co-non-solvency'' in Poymerbürsten zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen