Benetzung von bio-inspirierten, stimulus-reagierenden Polymeroberflächen durch Lipidvesikel

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Müller; Professor Dr. Motomu Tanaka
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422801301

In Analogie zu Flüssigkeitströpfchen wird die Form von Vesikeln durch das eingeschlossene Volumen, die Membran-Substrat-Wechselwirkung (Grenzflächenpotential) und die Eigenschaften der Grenzfläche (Membrane) zwischen dem Inneren und Äußeren bestimmt. Besonders für das Benetzungsverhalten von Vesikeln, ist die Bedeutung der intrinsischen Biegesteifigkeit und des Auftriebs der eingeschlossenen Flüssigkeit. Die experimentelle Gruppe von Motomu Tanaka hat ein bio-inspiriertes Polymerbürstensystem etabliert, welches die Vesikeladsorption schalten kann. Mittels 3D-konfokaler Mikroskopie hat sie die großskalige Vesikelgestalt beobachtet. Dieser Aufbau wird durch mikrointerferometrische Techniken ergänzt, welche Information über die lokale Geometrie am Rand der Kontaktzone zwischen Vesikel und Bürste liefern. Die Theoriegruppe Müller modelliert die schaltbaren Polymerbürsten durch ein stark vergröbertes Teilchenmodell sowie die dünne Lipidmembran als eine triangulierte Fläche im Rahmen des Helfrich-Hamiltonians und implementiert beides in ein paralleles, GPU-beschleunigtes MD-Programm. Die verallgemeinerte Beschreibung berücksichtigt die endliche Wechselwirkungsreichweite zwischen Vesikel und Bürste und den Auftrieb der eingeschlossenen Flüssigkeit. In der neuen Förderungsperiode wird die umgebende Flüssigkeit explizit modelliert, um der viskosen Dissipation Rechnung zu tragen.Beide Gruppen werden gemeinsam die dynamische Änderung der Vesikelgestalt nach einem Schalten der Adhäsion und die Anpassung der Bürste an den Kontakt mit dem Vesikel durch zeitabhängige Messung der Vesikelgeometrie untersuchen. Thermodynamische Kräfte (Biegeenergie, Adhäsion und Auftrieb) und Dissipationsmechanismen (z. B. Dissipation am Kontakt und in der umgebenden Flüssigkeit) haben unterschiedliche Abhängigkeiten von der Vesikelgröße, deren systematische Veränderung uns erlaubt zwischen verschiedenen Dissipationsmechanismen zu unterscheiden und den Vergleich zwischen Experiment und Simulationen erleichtert. Ferner werden wir untersuchen, wie der Transport von Membrankomponenten (z. B. positiv geladene Lipide, welche an die COOH-Gruppen der Bürste binden) zu der Kontaktzone die Dynamik beeinflussen. Diese Studien werden zu heterogenen Substraten, deren Benetzungsgradient die Kontaktzone festheften kann oder deren graduelle Änderung eine Verschiebung und Spreitung des Vesikels induziert, fortgesetzt. Ebenso werden wir periodische zeitliche Veränderungen der Benetzbarkeit und räumliche Gradienten, welche sich über das Substrat bewegen, untersuchen. Die laterale Verschiebung der Vesikel wird zu zusätzlichen Dynamiken, wie z. B. dem Gleiten oder Rollen über das Substrat, führen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2171: Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen