Translokation von Nanoteilchen durch Nanoporen, die mit Polymerbürsten dekoriert sind: Allgemeine Prinzipien

• Antragsteller: Dr. Holger Merlitz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449432865

Die Eigenschaften polymerer Materialien lassen sich durch molekulare Konformationsänderungen variieren. Dies eröffnet Möglichkeiten, u.a. chemisch schaltbare Bauteile zu konstruieren. Interessant sind insbesondere Polymerbürsten, die aus einzelnen, an einem Ende auf ein Substrat gepfropften Polymerketten bestehen. Es ist bekannt, dass Systeme aus thermoresponsiven Polymeren, oder Polymeren, die in gemischten Lösungsmitteln Co-nonsolvency-induzierte Konformationsänderungen aufweisen, sprunghafte Phasenübergänge zeigen, die schon durch geringe Änderungen der Temperatur oder der Lösungsmittelzusammensetzung hervorgerufen werden können. Falls solch eine Bürste die Innenwand einer Nanopore bedeckt, kommen zusätzliche Aspekte, bedingt durch die zylindrische Symmetrie des Aufbaus, zum Tragen. Derartig modifizierte Nanoporen sind interessant für mögliche technische Anwendungen, etwa als schaltbare Kanäle in Mikrofluidik-Bauteilen oder auch als schaltbare Filter für kleinste Partikel.In diesem Projekt werden die physikalischen Prinzipien des Schaltverhaltens solcher Polymer-dekorierter Nanokanäle untersucht, sowie analytische Modelle für die Funktion dieser Systeme entwickelt. Die Polymere formen eine Bürste, die reversibel und umgebungsbedingt zwischen den Zuständen 'gequollen' (mit geschlossenem Kanal) und 'kollabiert' (mit offenem Kanal) schalten kann. Die Charakteristiken dieser sprunghaften Übergänge werden unter Verwendung von Modellen des mittleren Feldes, sowie mit Hilfevergröberter Computersimulationen analysiert. Hierbei sollen bereits in Vorarbeiten erfolgreich verwendete Molekulardynamik-Methoden benutzt werden. Die Durchlässigkeit der schaltbaren Poren wird für frei diffundierende, durch äußeren Druck getriebene, sowie für aktive Brownsche Partikel untersucht. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Analyse der Schaltvorgänge unter besonderer Berücksichtigung der zylindrischen Symmetrie der Anordnung, wobei dem Zusammenspiel von Bürsteneigenschaften und der Oberflächenspannung eine besondere Rolle zukommt. Hierbei können Modelle zur Nukleation von Poren in Membranen entsprechend adaptiert werden. Besonders interessant sind getriebene Systeme, etwa Teilchen, die unter Druck durch geschlossene Poren gepresst werden. Dabei können neuartige Formen von Phasenübergängen und sogar raum-zeitliche Muster generiert werden, wie etwa regelmäßige Teilchenpulse aus einem zuvor kontinuierlichen Teilchenstrom. Wenn auch das Hauptziel dieses Projekts in dem Verständnis konzeptioneller Prinzipien hinter dem Verhalten dieser polymeren Systemeliegt, so können die hier erlangten Erkenntnisse wichtige Hinweise für die Entwicklung von schaltbaren mikrofluidischen Elementen liefern, sowie dabei helfen, fundamentale Prinzipien hinter biologischen Prozessen, wie dem selektiven Proteintransport durch Kernporenkomplexe, aufzudecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen