Bildung monodisperser, nicht-sphärischer Emulsionströpfchen durch Partikelstabilisatoren und Membran-bildender Moleküle
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fasern bestehend aus flüssigen Öl/Wasser Netzwerken mit porösen Oberflächen und offenen inneren Strukturen wurden entwickelt. Das mit diesen neuartigen Materialien verbundene vielversprechende Anwendungspotential hat uns dazu veranlasst, vom ursprünglichen Projektziel abzuweichen. Die Öl/Wasser Strukturen werden durch Siliziumdioxid Nanopartikel stabilisiert, indem diese eine mechanisch stabile, dicht gepackte Schicht auf der Öl/Wasser Grenzfläche ausbilden (sog. bicontinuous interfacially jammed emulsion gels, kurz bijels). Die Siliziumdioxid Partikel erlangen ihre Affinität zur Öl/Wasser Grenzflächen durch Oberflächenmodifikation mit einem kationischen Tensid. Die Fasern werden durch kontrolliertes Entmischen (Phasenseparation) von Öl und Wasser hergestellt. Dies geschieht, indem einer Öl/Wasser Mischung ein Lösemittel entzogen wird (Solvent Transfer Induced Phase Separation, STRIPS). Gleichzeitig lagern sich die Siliziumoxid Nanopartikel auf den so entstehenden Grenzflächen ab. Wir zeigen, dass durch Variation der Siliziumoxid Partikel und der Tensid Konzentrationen der Aufbau der Öl/Wasser Strukturen gesteuert werden kann. Auf diesem Wege können feinporige Strukturen mit wenigen hundert Nanometer Abmaßen der Öl/Wasser Kanäle hergestellt werden. Wir entwickeln eine Methode zur mechanischen Charakterisierung der Fasern. Auf diesem Wege bestimmen wir die Zugfestigkeit und finden, dass diese von wenigen hundert Pascal bis hin zu 4 Kilopascal durch die Siliziumoxid Nanopartikel Konzentration gesteuert werden kann. Wir zeigen, dass die Fasern parallel ausgerichtet werden können und als Röhren für den zweiphasigen Transport von Öl und Wasser einsetzbar sind. Dieses Experiment demonstriert die bikontinuierliche Struktur, d.h. die vollständige Interkonnektivität der Öl und Wasser Kanäle. Außerdem eröffnet diese Funktion das Potential der Nutzbarkeit der Fasern fuer kontinuierlich betriebene flüssig/flüssig Extraktionsvorgänge, sowie die Umsetzung von zweiphasigen chemischen Reaktionen mittels katalytischer Partikel auf der Öl/Wasser Grenzfläche. Das Polymerisieren der Fasern liefert poröse Hohlfasern mit steuerbaren Eigenschaften. Die Fasern können z.B. mit photokatalytisch aktiven Titanoxide Partikeln (statt Siliziumoxid) hergestellt werden. Dadurch können so erhaltene Membranen für die katalytisch oxidative Reinigung von organisch kontaminierten Wasser eingesetzt werden. Wir haben die Einsetzbarkeit der Fasern für Ultrafiltrations Trennvorgänge getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Hohlfasermembranen 15 Nanometer Gold Partikel aus Wasser abtrennen konnten. Die Arbeit wurde in verschiedenen Publikationsorganen veröffentlicht, unter anderem in der Zeitschrift Advanced Materials (mit Titelseitenillustration), in den Online Portalen Science Daily, Phys.org, Technology.org, Azo Materials, Newswise.com, Penn News und auch als Patentanmeldung. 1. https://news.upenn.edu/news/penn-team-devises-easier-way-make-bijels-complex-new-form-liquid-matter 2. http://phys.org/news/2016-01-team-easier-bijels-complex-liquid.html 3. https://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160128160015.htm 4. http://www.azom.com/news.aspx?newsID=45049
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Continuous Fabrication of Hierarchical and Asymmetric Bijel Microparticles, Fibers and Membranes by Solvent Transfer-induced Phase Separation (STRIPS), Advanced Materials, 27 (2015), 44, 7065-7071, Titelseitenillustration
M.F. Haase, K.J. Stebe, D. Lee
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201503509)
