Steuerung von dissipative molekulare Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Job Boekhoven
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411722921

Biologische molekulare Strukturen, wie die Mikrotubuli oder das Aktinfilament, existieren fast immer weit entfernt vom Gleichgewicht. Im Gegensatz dazu befinden sich künstlich hergestellte molekulare Strukturen typischerweise im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Inspiriert von biologischen Strukturen haben Forscher begonnen, künstliche dissipative Nicht-Gleichgewichtsmaterialien zu erforschen. Diese dissipativen Strukturen haben im Vergleich zu ihren künstlichen Gegenstücken im Gleichgewicht überlegene Eigenschaften. Hierzu zählen die Fähigkeit, die Strukturen über Raum und Zeit zu steuern, die Morphologie als Reaktion auf eine kleine Veränderung in ihrer Umgebung schnell zu wechseln und sie besitzen die Fähigkeit zur Selbstheilung. Den bisher beschriebenen dissipative molekularen Strukturen, die von chemischen Treibstoffen angetrieben werden, mangelt es nach wie vor an einem grundlegenden Verständnis für deren Prinzipien. Zum Beispiel verstehen wir nicht, wie sich der Treibstoffverbrauch auf die Morphologie auswirkt, oder wie die Größe der Strukturen mit der Kinetik der Bausteinaktivierung skaliert. Dieses mangelnde Wissen hindert uns daran, diese Materialien so vielseitig wie in der Biologie einzusetzen.Das Hauptziel dieses Vorschlags ist daher zu verstehen, wie sich die Kinetik der Aktivierung und Deaktivierung von Bausteinen auf die Morphologie, Größe und Stabilität von dissipativen Strukturen auswirkt. Wir beginnen mit der Herstellung von Baugruppen, bei denen die Bausteinaktivierungsrate gleich der der Deaktivierung ist, einem sogenannten stationären Zustand. Wir werden eine neue Chemie entwickeln, mit der die durchschnittliche Lebensdauer eines Bausteins vorgegeben werden kann. Das bedeutet, dass wir einstellen können, wie lange sich ein Baustein im Durchschnitt im Reaktor befindet, bevor er deaktiviert wird. Mit neuen kinetischen Modellen werden wir die Verweilzeit vorhersagen. Wir werden mit diesen mit diesen Werkzeugen untersuchen, wie sich die Morphologie einer Struktur durch die Verweilzeit des Bausteins verändert. Hiermit werden wir in der Lage sein, die Größe einer Struktur mit Hilfe dieser Bausteinverweilzeit vorzugeben. Schließlich werden wir untersuchen, ob diese dissipativen Strukturen Hungerperioden überstehen können und wie sich die Verweildauer sowie die Rückkopplung von Strukturen auf ihr eigenes chemisches Reaktionsnetzwerk auswirkt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen