Zeitauflösende in situ-Untersuchung des durch spezifisch wechselwirkende Metallkationen induzierten Kollabierungs- und Aggregationsverhaltens von Polyelektrolytketten

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Huber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231919084

Anionische Polyelektrolytketten erfahren in verdünnten wässerigen Lösungen spezifische Wechselwirkungen mit Metallkationen. Diese Wechselwirkungen führen zunächst zu einer Schrumpfung der Knäueldimensionen und, beim Überschreiten einer Fällungsschwelle, zur Ausfällung des Metallsalzes der entsprechenden Polyelektrolytketten. Zwei grundsätzlich verschiedene Typen solcher Fällungsschwellen konnten identifiziert werden. Eine S-Schwelle entsteht durch stöchiometrische Absättigung funktioneller Seitengruppen mit spezifisch wechselwirkenden Kationen, wobei die zur Fällung benötigte Menge an Metallkationen mit der Polyelektrolytkonzentration zunimmt und eine M-Schwelle folgt dem Massenwirkungsgesetz basierend auf Metallkationen und funktionellen Gruppen, wobei umso mehr Kationen erforderlich werden, je geringer die Polyelektrolytkonzentration wird. Anionische Polyacrylatketten zeigen beispielsweise in Gegenwart von Erdalkalisalzen eine S-Schwelle. Bei Annäherung an diese S-Schwelle kollabieren die Polyacrylatketten zu kompakten Kugeln und nach überschreiten der Schwelle setzt eine Aggregation der Ketten ein. Vergleichbare mechanistische Aspekte von anderen Polyelektrolytketten sind noch überhaupt nicht untersucht, ebenso wenig wie das mechanistische Verhalten von Polyelektolytketten an der M-Schwelle. Ob Polyelektrolytketten sich an einer S- oder M-Schwelle jeweils gleich verhalten, unabhängig von ihrer chemischen Natur ist noch gänzlich unbekannt. Das vorliegende Projekt soll nun, unter Einsatz ganz neuer zeitauflösender Messmethoden, eine erste vergleichende Studie der molekularen Mechanismen dieser Prozesse durchführen. Kettenkollabierung und Kettenaggregation sollen dabei mit zeitauflösender statischer und dynamischer Lichtstreuung an Vielwinkelanlagen sowie mit zeitauflösender Kleinwinkelstreuung an Großforschungseinrichtungen untersucht und aufgeklärt werden. Die Arbeiten erweitern damit den punktuellen Kenntnisstand und sollen erstmalig allgemeingültige Prinzipien erkennen lassen. Zur Abrundung werden beispielhaft zeitaufgelöste Untersuchungen zur Ausbildung von amorphem Calciumcarbonat in Gegenwart von Polyacrylaten durchgeführt. Der Vorgang verbindet die von spezifisch wechselwirkenden Kationen ausgehenden morphologischen Änderungen an Polyelektrolytketten mit entsprechenden Prozessen bei der Biomineralisation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen