Multiskalenanalyse der dynamischen Wechselwirkungen von Nanopartikeln und öllöslichen Tensiden an flüssigen Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi; Privatdozent Dr. Michael Maas
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450560405

Partikelstabilisierte Emulsionssysteme sind in industrielle Anwendungen weit verbreitet, wie z.B. bei der Ölförderung oder der Wasseraufbereitung, in Ernährungsprodukten, Kosmetika und pharmazeutischen Formulierungen sowie bei der Prozessierung von Verbundwerkstoffen und Keramik. In vielen dieser Anwendungen können die Emulsionssysteme komplex sein, wobei verschiedene Arten von Partikeln und oberflächenaktiven Molekülen in Synergie oder Konkurrenz zueinander wirken. Aufgrund dieser Komplexität ist die Formulierung stabiler Mehrkomponenten-Emulsionssysteme häufig noch immer ein ressourcenintensiver Trial-and-Error-Prozess. Insbesondere die Packungsdichte und Perkolation von gemischten Grenzflächenfilmen kann derzeit weder durch die Anpassung etablierter Systemparameter wie Konzentrationen, pH-Wert oder Tensidtypen gesteuert werden, noch gibt es adäquate Computermodelle, die eine solche Aufgabe unterstützen könnten.Das Ziel dieses Projekts ist es, die molekularen Details von heterogenen und mehrkomponentigen Öl/Wasser-Grenzflächen, die eine Mischung aus Tensidmolekülen und Nanopartikeln enthalten, mit dem makroskopischen Verhalten dieser Filme zu verknüpfen. Dies erfordert einen multiskaligen Ansatz, bei dem ein angemessener Grad an Komplexität auf jeder Skala sorgfältig ausgewählt werden muss, um eine sinnvolle und effiziente rationale Beschreibung und ein Verständnis des Systems zu erreichen. Aus diesem Verständnis wollen wir Designregeln generieren, die es uns erlauben, die Bildung verschiedener Arten von Partikel/Tensid-Emulsionssystemen auf der Basis von wenigen ausgewählten und leicht zugänglichen Parametern maßzuschneidern.Um dieses Ziel zu erreichen, planen wir den Zugriff auf den gleichen Satz charakteristischer Messgrößen (insbesondere: Kontaktwinkel, Grenzflächenenergien, Adsorptionsenergien, Elektronendichteprofile, Grenzflächenmikrostruktur und Grenzflächenrheologie) sowohl aus Experimenten als auch aus Multiskalensimulationen. Wenn die gleichen Werte der Beobachtungsgrößen aus diesen komplementären Ansätzen erhalten werden, können wir davon ausgehen, dass die simulierten Modelle eine genaue Darstellung der experimentellen Realität sind. Auf diese Weise werden wir eine umfangreiche Beschreibung der Partikeladsorption an der tensidbeladenen Grenzfläche und der Strukturbildung im Partikelfilm erreicht haben.Diese Kombination aus experimentellen und Simulationsmethoden wird einen noch nie dagewesenen Einblick in die Bildung gemischter Grenzflächenfilme ermöglichen. Mit diesem Ansatz wollen wir sowohl unsere Grundlagen über Mehrkomponenten-Grenzflächensysteme erweitern als auch die Bildung komplexer Emulsionssysteme auf der Basis vorhersehbarer Formulierungsregeln ermöglichen. Solche Designregeln werden die ressourcenintensiven Formulierungsprozesse, die für eine Vielzahl industrieller Prozesse von der Herstellung von Eiscreme bis zur Verarbeitung hierarchisch strukturierter poröser Keramiken notwendig sind, erheblich erleichtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Kurosch Rezwan