Untersuchung nanoskaliger Wechselwirkungen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche mittels Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Niels De Jonge
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434966740

Die Wechselwirkungen zwischen Nanoobjekten in Flüssigkeit sind entscheidend für das Funktionieren einer Vielzahl von Anwendungen, die auf kolloidalen Systemen, Selbstorganisationsprozessen, diffusiver Bewegung an Grenzflächen, zum Beispiel in Energiespeichermaterialien, basieren und auch relevant für manche molekularen Prozesse in der Biologie sind. Die tatsächliche Situation auf der Nanoskala ist typischerweise nicht symmetrisch, was zu einer hohen Komplexität der Potentiale führt, so dass das grundlegende Verständnis deren physikalischen Regeln immer noch unvollständig ist und unerwartete / spezielle Phänomene weiterhin entdeckt werden. Das Gesamtziel dieses Projekts ist die Untersuchung des dynamischen Nanopartikelverhaltens an der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Rezente Fortschritte in der In-situ-Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie ermöglichten eine direkte Abbildung der Nanopartikelbewegung auf der Nanoskala. Unter Verwendung dieses neuen "Sichtfensters" haben wir und andere eine unerwartete, außergewöhnlich langsame Bewegung von Gold-Nanopartikeln in Flüssigkeit entdeckt, drei Größenordnungen langsamer als auf der Grundlage der Brownsche Bewegung vorhergesagt. Der zugrunde liegende Mechanismus ist möglicherweise von entscheidender Bedeutung für eine korrekte Beschreibung dynamischer Wechselwirkungen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Ein möglicher Mechanismus besteht darin, dass eine geordnete Flüssigkeitsschicht zu Superviskosität führt, wodurch die Nanopartikelbewegungen verlangsamt werden. Der Forschungsplan umfasst die folgenden vier Arbeitspakete:WP 1: Etablierung der Liquid STEM für Nanopartikelbewegung. Die vorgeschlagene Forschung beginnt mit der Festlegung und Optimierung der experimentellen Bedingungen für die Beobachtung der langsamen Bewegung von unterschiedliche Nanopartikeln in Flüssigkeiten. Die Spezifikationen der Nanopartikel werden getestet und der Einfluss der Dichte des Elektronenstrahls wird bewertet.WP 2: Untersuchung der Brownschen Bewegung. Die Bewegung von Nanopartikeln wird auf die Eigenschaften der Brownschen Bewegung untersucht, wobei die mittlere quadratische Verschiebung MSD linear mit der Zeit skaliert und ein Skalierungsgesetz für die Temperatur und den Nanopartikelradius gilt. Mehrere Parameter werden variiert und Translationsbewegungen analysiert.WP 3: Untersuchung anderer Bewegungsmechanismen. Wir werden auch das Vorhandensein anderer möglicher Mechanismen als Brownschen Bewegung testen. Wir werden auch Rotationsbewegungen untersuchen.WP 4: Untersuchung von geordneter Flüssigkeitsschicht mit langer Reichweite. Schlussendlich werden wir die Existenz einer geordneten Flüssigkeit, von der wir erwarten, dass sie sich einige zehntel Nanometer von der Fest-Flüssig-Grenzfläche erstrecken und eine hohe Viskosität aufweisen wird, untersuchen.Als weitere experimentelle Analysemethode werden wir die Atomkraftmikroskopie anwenden, um die Grenzflächenflüssigkeitsschicht dahingehend parallel zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Karin Jacobs; Professor Dr. Tobias Kraus