Nanoporen als kommunizierende Reaktionsräume in Silica-Hybrid-Baumwollfädennetzwerken und Papieren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Annette Andrieu-Brunsen
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422698725

Kommunizierende Reaktionsräume sind Voraussetzung zum Aufbau komplexer Systeme. Sie werden im Kontext von sogenannten „life-like Materials“ aber auch für technologische Anwendungen in der Sensorik, z. B. zur Signalverstärkung, diskutiert. Die nötigen Kompartments werden überwiegend aus biologischen Zellen, Polymersomen o.ä. Komponenten aufgebaut. Ein Nachteil ist, dass dabei die Anordnung von Porenräumen vom Design der Anordnungsprozesse abhängt. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Transport zwischen solchen Porenräumen auf Diffusion basiert und schwer einstellbar gestaltet werden kann. Hier bieten funktionalisierte Papiere oder Baumwollfäden mit einstellbaren Porenräumen und steuerbarer Fluidverteilungen neue Möglichkeiten, sind bisher aber nicht untersucht. Auch haben sich bisher nur wenige Beispiele funktionaler Baumwollfäden und Papiere in Anwendungen, wie z. B. diagnostische Teststreifen, durchgesetzt, trotz der bisher relativ großen und steigenden Zahl an Forschungsansätzen zu modifizierten Papieren und potentiellen Demonstratoranwendungen. Dabei sind Porenräume für Anwendungen von high-tech Papieren im Kontext Sensorik oder Katalyse entscheidend. In der ersten Förderperiode (FP) konnten wir zeigen, wie einstellbare Porenräume die Fluidverteilung und den Fluidfluss in Papier und Baumwollfäden lokal steuern. Die Bildung von nanoskaligen Poren durch mesoporöse Silicabeschichtungen in Papier und Baumwollfäden wurde gesteuert, die Charakterisierung dieser Prozesse ausgebaut sowie dreidimensionale, poröse Silicagradienten, und damit z.B. dreidimensional einstellbare Fluidverteilung, in einem Papier designt. So konnten wir neben funktionalen Papieren und Baumwollfäden auch zur Bewertung von Modellen zum Fluidverhalten in Papieren beitragen. Eine wichtige Erkenntnis dabei war, dass Faserquellung aber auch die Anwesenheit nanoskaliger Poren auf der Faser eine wichtige Rolle spielen, was in den meisten Modellen nicht berücksichtigt wird. In der zweiten Förderperiode soll die Steuerung der Fluidverteilung in Papieren sowie das Anordnen verschiedener Porenräume in Papier auf einstellbare Porengrößen und komplementäre Funktionalisierung erweitert werden, um so kommunizierende Reaktionsräume und damit eine neue Generation von funktionalen Papieren, z. B. im Kontext Sensorik und „life-like Materials“, zugänglich zu machen. Als Modellreaktion zur Untersuchung von Porengrößen- und Verteilungseffekten soll die Enzymkaskadenreaktionen von Glucoseoxidase (GOx) und Myoglobin (MGB) dienen. Dabei setzt GOx Glucose zu Peroxid um, welches wiederum mit MGB Amplex Rot zu Resorufin reagiert. Durch die Kombination dieser Reaktion mit den beschriebenen Baumwollfäden und Papier werden grundlegende Fragen nach der Steuerung komplexer Reaktionen durch das Design von Reaktionsräumen, deren Anordnung sowie Fluidverteilung in Papieren und 3D verknüpften Fädennetzwerken zugänglich und so Designkriterien für Sensorpapiere aber auch für „life-like“ Materialien ableitbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Markus Biesalski; Professor Dr. Nico Bruns; Privatdozent Dr. Tobias Meckel; Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marcelo Ceolin