Zeit- und ortsaufgelöste Charakterisierung des Porenraums mittels hochauflösender Fluoreszenz-Mikroskopie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Tobias Meckel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405440040

Die Interaktion von (wässrigen) Flüssigkeiten mit Papier spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung, Untersuchung, Modifikation, Funktionalisierung und Anwendung von Papier. Diese Interaktion lässt sich in unterschiedliche Prozesse einteilen, wie (i) die Benetzung und Quellung der Cellulosefasern, (ii) den Kapillartransport innerhalb, auf oder zwischen den Fasern, oder (iii) die Zugänglichkeit der Poren auf oder zwischen den Fasern für gelöste oder suspendierte Stoffe unterschiedlicher Größe, Ladung oder Hydrophilie. Die quantitative Untersuchung und Beschreibung solcher einzelnen Prozesse, die stets zeitgleich ablaufen, sobald das Papier mit Flüssigkeiten in Kontakt kommt, sind unabdingbar, um zu einem Verständnis der komplexen mikrofluidischen Eigenschaften von Papier zu gelangen. Nur über dieses Verständnis wird es gelingen, Papier rational und kontrolliert mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu versehen. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Papier-Parameter, wie etwa den Fasertyp oder chemische Funktionalsierungen auf das Verhalten von Flüssigkeiten und der darin gelösten oder suspendierten Stoffe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung innerhalb der Papiermatrix zu erfassen und zu quantifizieren. Einen zusätzlichen Schwerpunkt wird dabei der Einfluss nicht-cellulosischer Polysaccharide spielen. Dafür wird zum einen das bereits etablierte Methodenspektrum der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, dass sich besonders gut eignet, dynamische Prozesse, die sich auf sehr unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen abspielen, quantitativ in allen drei Raumdimensionen zu erfassen. Insbesondere die Resonanz- und Spinning-Disk-Konfokalmikroskopie haben sich hierbei als sehr geeignet erwiesen. Zur Untersuchung von Strömungsprofilen wird zudem Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV) zur Anwendung kommen. Zum anderen wird der hochauflösenden Mikroskopie, wie STED und STORM, eine besondere Aufmerksamkeit geschenkt, da sich gezeigt hat, dass eine möglichst hohe Auflösung der lokalen Verteilungen kristalliner und amorpher Bereiche der Cellulose, sowie der Verteilung nicht-cellulosischer Polysaccharide, eine entscheidende Bedeutung zukommt, wenn es z.B. um das Verständnis des Flüssigkeitstransports geht oder darum, welche Struktur chemische Modifikationen auf der Faseroberfläche annehmen. Nicht zuletzt liefert das Projekt auch weiterhin wichtige Daten, um Simulationen von Papier zu ermöglichen, indem dynamische Vorgänge mit hoher raum-zeitlicher Auflösung erfasst werden, um Grundlage für Quellungs-, Imbibitions-, und Strömungs-Simulationen zu sein. Aber auch ein möglichst detailliertes Bild der statischen 3D Struktur bleibt grundlegend für die Erstellung eines „Digitalen Zwillings“.In beiden Themenbereichen – Dynamik und Hochauflösung – werden Deep Learning Methoden zur Bildverbesserung, insbesondere zum Entrauschen, angewendet, wodurch umfangreiche Verbesserungen bei Bildwiederholraten und der Auflösung erzielt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen