Systematische Variation der Rheologie wurmartiger Mizellen – Experiment und theoretische Beschreibung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Michael Gradzielski; Professorin Dr. Sabine Klapp
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411263096

Ziel dieses Projektes ist eine maßgebliche Verbesserung unseres Verständnisses des Fließverhaltens von stäbchenförmigen Mizellen (Wurmmizellen), welches die rheologischen Eigenschaften, insbesondere die Ausbildung von räumlich-zeitlichen Instabilitäten, auf der Basis des molekularen Aufbaus der Systeme erklärt. Hierzu sollen umfangreiche experimentelle rheologische Untersuchungen an Tensidsystemen mit systematisch variierter Struktur durchgeführt werden und diese experimentellen Ergebnisse mit neuen theoretischen Modellen verglichen werden. Das Fließverhalten ist bestimmt von Struktur und auch Dynamik der mesoskopischen Aggregate und diese Eigenschaften werden durch den Aufbau der amphiphilen Moleküle sowie entsprechende Mischungen mit Kotensiden und amphiphilen Polymeren systematisch variiert (wobei die Hybridsysteme aus hydrophob modifizierten Polyelektrolyten und Stäbchenmizellen auch selbst schon interessante neuartige Systeme darstellen). Struktur und Dynamik dieser Systeme werden mit Hilfe von Licht- und Neutronenstreuung (SANS, NSE) sowie Elektrodoppelbrechung (EDB) charakterisiert. Das rheologische Verhalten und insbesondere das Auftreten von räumlich-zeitlichen Inhomogenitäten werden detailliert untersucht, primär über optische Methoden und Particle Image Velocimetry (PIV). Die präzise Bestimmung des Fließfeldes und der räumlich-zeitlichen Änderungen (z. B. Bildung von Scherbändern) stehen dabei im Fokus der Untersuchungen. Ergänzend werden Rheo-SAXS und –SANS Messungen durchgeführt, um die Orientierung und Strukturierung auf mesoskopischer Ebene zu erfassen. Diese umfassenden experimentellen Ergebnisse werden mit den Vorhersagen theoretischer Modelle für die Dynamik der makroskopischen Variablen, insbesondere der viskoelastischen Scherspannung im Rahmen des Fielding-Olmsted-Modells, verglichen. Gerade dieser direkte Vergleich von experimentellen Parametern und Beobachtungen mit einer neu entwickelten theoretischen Beschreibung und einer entsprechenden Adaption dieser theoretischen Modelle soll ein systematisches und direktes Verständnis dieser viskoelastischen Systeme ermöglichen. Hier werden dann die Theorieparameter (insbesondere Exponenten in der Beschreibung der scherinduzierten Veränderung der Kettenlänge, Spannungsdiffusionskoeffizient) zu experimentellen Größen in Bezug gesetzt, welche dann wiederum an den molekularen Aufbau der Systeme gekoppelt sind. Damit wird ein fundamentales Verständnis des rheologischen Verhaltens auf der Basis der molekularen Zusammensetzung der viskoelastischen Systeme ermöglicht, wie es bisher noch nicht existiert. Ein solches vertieftes Verständnis der Eigenschaften tensidbasierter viskoelastischer Systeme ist nicht nur wichtig von der grundlegenden physikalisch-chemischen Seite her, sondern auch für die zahlreichen Anwendungen solcher Systeme, da hiermit systematische Grundlagen für deren molekulare Formulierung geliefert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Rheometer mit PIV und Mikroskop
• Gerätegruppe: 1610 Viskosimeter, Rheometer