Selbstorganisation kolloidaler Partikel in Emulsionstropfen: Aggregationsmechanismus, Struktur und resultierende optische Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Engel; Professor Dr. Nicolas Vogel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 338276051

Die Selbstorganisation von Materie ist ein bemerkenswerter natürlicher Prozess, der auf allen Längenskalen zu beobachten ist, von der kristallinen Architektur von Mineralien über nanostrukturierte Merkmale in biologischen Materialien bis hin zur komplexen hierarchischen Organisation von Geweben. Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen einzelnen nanoskaligen Bausteinen und den daraus entstehenden Strukturen, zu denen sie sich selbst organisieren, ist von allgemeiner Bedeutung für das Verständnis grundlegender Prozesse der Strukturbildung. Darüber hinaus finden selbstorganisierte Materialien Anwendungen als photonische Materialien, die strukturelle Farben aufweisen, als phononische Kristalle zur Kontrolle akustischer Eigenschaften oder der Wärmeleitung sowie als nanoporöse Materialien zur gezielten Steuerung von Adsorptions- oder katalytischen Prozessen. Dieser Forschungsantrag konzentriert sich auf die Strukturbildung durch kolloidale Selbstorganisation in einschränkenden Elementen, insbesondere in kugelförmigen Emulsionströpfchen, die z.B. die Bildung von Mineralien, wie dem framoidalen Pyrit, nachahmen. In der ersten Förderperiode haben wir die thermodynamischen und kinetischen Grundlagen für die Selbstorganisation von kolloidalen Partikeln zu Clustern mit einzigartigen Symmetrien und Oberflächengeometrien, insbesondere ikosaedrisch und dekaedrisch, geschaffen. Diese Clusterstrukturen weisen eine erhöhte thermodynamische Stabilität auf und werden durch Faktoren wie die Form des Einschlusses und dem Volumenanteil der Teilchen beeinflusst. Aufbauend auf den erreichten Erkenntnissen schlagen wir für die zweite Förderperiode drei Strategien vor, um die Bildung von kolloidalen Clustern aktiv zu steuern. Erstens wollen wir die Grenzfläche zur Steuerung der Clustersymmetrie maßschneidern, wobei wir davon ausgehen, dass Veränderungen der Grenzflächengeometrie die Strukturbildung in Richtung bestimmter Kristallstrukturen lenken können. Zweitens wollen wir thermodynamische Prinzipien nutzen, um die Ordnung und Struktur des Clusters zu steuern, indem wir die Bildung von Defekten in den Clustern so steuern, dass der Verlust an freier Energie minimiert wird. Drittens beabsichtigen wir, den kinetischen Strukturbildungspfad zu manipulieren, um die strukturelle Organisation zu steuern, indem wir ein Verständnis der Phasenübergangsprozesse nutzen, um bestimmte Clustersymmetrien bevorzugt zu bilden. Die Verfolgung dieser Strategien wird nicht nur Werkzeuge für die Selbstorganisation komplexer Materialien bereitstellen, sondern auch zu einem grundlegenden Verständnis der Strukturbildung in eingeschränkten Geometrien führen. Aufbauend auf unserer erfolgreichen Zusammenarbeit in der ersten Förderperiode werden wir diese Ziele durch eine enge Verknüpfung von experimentellen Beobachtungen und ereignisgesteuerten Molekulardynamiksimulationen verfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen