Thermoelektrische Effekte auf der Nanometerskala

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Cichos
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242631004

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass thermische Kräfte auf geladene Kolloide zu einem großen Teil durch Thermoelektrizität bestimmt werden. Im Bulk ist das thermoelektrische oder Seebeck-Feld proportional zum angelegten Temperaturgradienten. Sowohl Vorzeichen und Größe des Seebeck-Koeffizienten hängen von der Elektrolytzusammensetzung ab. Die damit verbundenen Effekte erklären einer Fülle von aktuellen Experimenten an kolloidalen Suspensionen. Die Anwendungen thermoelektrische Effekte in Lösung sind jedoch deutlich vielfältiger als derzeit untersucht.Thermoelektrische Effekte sind zum Beispiel höchst relevant für biotechnologische und mikrofluidische Anwendungen, bei denen größenselektiver Kolloidtransport, eine Partikel-Größentrennung oder ein molekulares Trapping erforderlich sind. Solche Anwendungen werden noch attraktiver, wenn man bedenkt, dass die erforderliche Wärme für solche thermoelektrischen Prozesse unter Ausnutzung plasmonischer Effekte in Metallnanostrukturen mit Licht erzeugt werden kann. Dies führt zu sehr starken lokalen Temperaturgradienten, die eine neue Art von optisch kontrollierter Mikro-und Nanofluidik ermöglicht.Dieses Projekt schlägt daher vor, die thermoelektrischen Eigenschaften von elektrolytischen Lösungen auf einer Mikro- und Nanometerskala ein einer Kombination aus Theorie und Experiment zu untersuchen. Dabei gibt es zwei Hauptziele: Das erste ist ein besseres Verständnis der Kräfte, die die selbstgetriebene Bewegung von heißen Janus-Partikeln verursachen. Das zweite zielt auf die Konzeption und Realisierung von thermisch erzeugten elektrischen Feldern in eingeschränkter Geometrie und in Nanostrukturen ab.Auf der theoretischen Seite müssen die gekoppelten thermo-elektro-osmotischen Gleichungen, die die Salz-Ionen-Ströme mit den elektrischen Seebeck-Feldern verknüpft, gelöst werden. Aus diesen Ergebnissen kann die Mobilität von Partikeln über das Einsetzen der thermodynamischen Kräfte in die Stokes-Gleichung erhalten werden. Als Hauptergebnis erwarten wir, die Ladungsverteilung in der Nähe eines geheizten Partikels, die effektive Thermo-Ladung, das Dipolmoment und die daraus resultierenden Translations- und Rotationsbewegungen berechnen zu können. Auf dieser Basis sollen mikrofluidische Konzepte für den Transport und die Größenselektion kolloidaler Teilchen entwickelt werden.Die Experimente in diesem Projekt sind direkt an die theoretischen Aufgaben gebunden. Sie konzentrieren sich auf den Einfluss thermoelektrischer Effekte auf die Bewegung von optisch geheizten Gold Nano- und Janus-Partikeln. Die Experimente beinhalten neuartige Partikeltracking-Techniken, die mit aktiver Teilchenmanipulation, wie dem neu entwickelten Photon Nudging verbunden werden. Weiterhin werden neue Methoden für die Abbildung elektrischen Felder um geheizte Metall-Nanostrukturen in Elektrolyt-Lösung etabliert, welche zur Nutzung frei konfigurierbarer thermoelektrischer Felder für Mikro- und Nanomanipulationen führen sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Beteiligte Person: Dr. Alois Würger