Einzelmolekülhaftung und -reibung komplexer Moleküle

• Antragsteller: Dr. Bizan Nicolas Balzer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454622446

Molekulare Haftung und Reibung wurden bisher unter Verwendung verschiedener biophysikalischer Techniken mit hoher räumlicher Auflösung und Kraftauflösung untersucht. Das Verständnis komplexer Moleküle stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein Beispiel für eine sehr komplexe Art von Molekülen ist Mucin. Mucine zeigen unter anderem auf verschiedenen Oberflächen außerordentliche Haftungs- und Reibungseigenschaften. Dadurch könnten Mucine für zukünftige biomimetische Beschichtungen und Schmiermittel sehr gut geeignet sein. Jedoch ist es unbekannt, wie genau die verschiedenen Mucin-Segmente auf der molekularen Skala zur Haftung und Reibung beitragen und die Zeitabhängigkeit dieser Prozesse beeinflussen. Im hier beantragten Projekt sollen Experimente mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierter Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (SMFS) und AFM basierter Bildgebung, unterstützt durch Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsmessung (QCM) und Tribologie-Experimenten, verwendet werden, um die Wechselwirkungsstärke und die Dynamik komplexer Einzelmoleküle am Beispiel von Mucin in verschiedenen Raumrichtungen zu bestimmen. Damit werden die Erkenntnisse über Haftungs- und Reibungseigenschaften von komplexen Molekülen, wie Mucine, vertieft. Als Erstes wird die kraftladungsraten-abhängige Desorption von nativen und modifizierten Mucin-Molekülen auf verschiedenen Modellsubstraten mit unterschiedlicher Rauigkeit, Hydrophobizität und Steifigkeit untersucht. Zweitens werden kraftladungsraten-abhängige laterale Zieh- und Warte-Experimente durchgeführt. Drittens werden Desorptions- und laterale Ziehexperimente einzelner Mucin-Moleküle auf Mucin-Filmen durchgeführt. Damit kann untersucht werden, wie das Verhalten von Einzelmolekülen auf die Eigenschaften von Mucin-Schichten übertragen wird. Messungen mittels QCM-D und Tribologie-Experimente werden eingesetzt, um Einzelmolekül-Erkenntnisse mit makroskopischen Messungen in Zusammenhang zu bringen. Diese Kombination verschiedener Techniken wird uns einen breiten Zugang zu räumlichen und zeitlichen Skalen ermöglichen, die für das Verständnis der Rolle verschiedener Mucin-Segmente für Haftungs- und Reibungseigenschaften grundlegend sind. Dies ebnet den Weg für ein besseres Verständnis komplexer Moleküle mit verschiedenen funktionellen Gruppen, womit die Entwicklung zukünftiger synthetischer multifunktioneller Polymere optimiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen