Nanometerpräzise und multifunktionale Porenfunktionalisierung durch Benetzungssteuerung - für die Sensorik

Der dezentral durchgeführte, selektive Nachweis gelöster Analyten ist für nachhaltiges Wassermanagement, Recycling und damit für das Erreichen der UN Sustainability Goals, von Bedeutung. In der Regel benötigen solche Nachweise aufwendige, mehrstufige Analytik, die in spezialisierten Laboren durchgeführt wird. Wir streben an, die Auslesefunktion direkt in das Sensormaterial zu integrieren. Ein solches Sensordesign basiert auf autonomer Funktionsweise ohne komplexe Auslese-, Datentransfer, Aufbereitungs- oder Analysemethoden. Ein solches Sensorkonzept soll durch das Nutzen von Benetzungsübergängen in funktionalisierten porösen Materialien umgesetzt werden. Die Benetzungsübergängen werden durch die gezielte Wechselwirkung zwischen einem Analyten und reaktiven, an die Oberfläche poröser Materialien gebundenen, funktionellen Gruppen induziert. Diese Analyt-Material Interaktion verursacht einen Übergang von Wasserausschluss zu Wasserinfiltration. Dieser Analyt-induzierte Benetzungsübergang geht mit einer optischen direkt auslesbaren Materialänderung einher. Dabei werden wir folgende Erkennungseinheiten, mit dem Potential einen Benetzungsübergang zu induzieren, untersuchen: Polyelektrolytbürsten, die in Anwesenheit unterschiedlicher Ionen ihre Konformation und so Oberflächenbenetzbarkeit ändern, Schiffsche Basen und Spiropyran, die mit Ionen unter Polaritätsänderung wechselwirken. Zur Integration der optischen Auslesefunktion werden zwei Ansätze verfolgt: Inverse Opale mit geordneter Porenstruktur und Porengrößen im Bereich von 200-300 nm sowie mesoporöse Mehrschichtfilme mit Porengrößen kleiner als 20 nm und einem Brechungsindexkontrast zwischen den Schichten ergeben einen photonischen Kristall mit konstruktiver Interferenz sichtbaren Lichts. Diese Strukturfarbe verschwindet durch Infiltration einer Flüssigkeit. Als zweite Ausleseplattform werden Goldnanopartikel in poröse Schichten ohne Brechungsindexkontrast integriert. Die Verschiebung der lokalen Plasmonenresonanz durch Fluidimbibition an einem Benetzungsübergang dient hier als optische Auslesefunktion. Hierarchische poröse Architekturen, die beide porösen Systeme und damit unterschiedliche Benetzungsübergänge kombinieren, werden hinsichtlich der Möglichkeit zwei unterschiedliche Analyten zu detektieren untersucht.Die Umsetzbarkeit des Sensorkonzeptes soll durch Ausnutzen relativ einfacher Oberflächenchemie und möglichst selektiver Adsorption von Ionen gezeigt werden. Die so erhaltenen Erkenntnisse werden die Grundlage für komplexere, sensitivere und selektivere Sensorfragestellungen legen.Die Ergebnisse und Erkenntnisse der ersten Förderperiode sind eine hervorragende Grundlage für das vorgeschlagene Sensordesign. In der ersten Förderperiode haben wir genutzt, um lokale Funktionalisierung von Nanoporen zu designen. In der zweiten Förderperiode werden wir dieses Konzept umdrehen und lokalisierte Porenfunktionalisierung nutzen, um Benetzungsübergänge zu steuern und zum Analytnachweis zu nutzen.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Kooperationspartnerin Professorin Dr. Regine von Klitzing