Nukleations- und Kristallisationskontrolle von Al(III)(oxy)(hydr)oxiden: Zugang zu fortschrittlichen Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Denis Gebauer
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455689363

Die Chemie des Aluminiums ist in vielen Bereich aktueller Forschung von zentraler Bedeutung, insbesondere zu nachhaltigen Energiequellen, organometallischen Hybdridmaterialien, Impfstoffformulierungen, Abwasserbehandlung oder der Versäuerung von Böden und Gewässern im Zuge des Klimawandels, und vielen mehr. Der möglicherweise wichtigste Aspekt betrifft den negativen Einfluss von Aluminium auf unsere Gesundheit, dessen wissenschaftliche Erklärung unklar bleibt. In allen genannten Bereichen scheint die Bildung von Aluminium(oxy)(hydr)oxiden (AlOx) eine zentrale Rolle zu spielen. Jedoch bleiben die physikalisch-chemischen Bedingungen, die zur Phasenseparation führen, sowie der Nukleationsmechanismus an sich, weitgehend unklar. Während bekannt ist, dass bestimmte Anionen oder organische Moleküle die Hydrolyse-(Polymerisations)-Nukleations-Kaskade beeinflussen —über eine (De-/) Stabilisierung bestimmter Al(III) Spezies oder Beeinflussung des pH Wertes während der AlOx-Bildung— ist die Datenlage zum Einfluss von Kationen spärlich. Es scheint keine intuitive Erklärung ihrer Rolle während der Hydrolyse/Kondensation von Al(III) zu geben. Wir stellen hier ein Projekt vor, das eine fundamentale Verbesserung des Verständnisses des Nukleationsmechanismus von AlOx und der Wege, wie dieser Prozess kontrolliert werden kann, zum Ziel hat. Dies basiert auf dem Wissenstand in der Literatur und Vorarbeiten zum AlOx Nukleationsmechanimus sowie zur Rolle von Calciumionen. Ein Schwerpunkt liegt auf diesem Kation, das eine Schlüsselrolle in biochemischen Signalwegen und der Nervenfunktion spielt, und somit mit den schädlichen Effekten von Aluminium auf unsere Gesundheit zu tun haben könnte. Ferner werden wir die Rolle von organischen Zusätzen untersuchen, die in den oben genannten Bereichen wichtig sind: Fumarsäure, verschiedene Polycarboxylate und die Polyphenolsäure Ellagsäure. Unser Forschungsplan basiert auf der Verwendung komplementärer Methoden, d.h., fortschrittliche potentiometrische Titrationen, Isotherme Titrationskalorimetrie, NMR, Analytische Ultrazentrifugation, Elektronemikroskopie und mehr. Wir definieren fünf Meilensteine, wobei die erste Projekthälfte der detaillierten Speziierung der Frühstadien der AlOx Bildung mit und ohne die Zusatzstoffe dient. Wir zeigen, dass dieses Ziel erreichbar ist und dann ermöglicht, in den weiteren Meilensteinen detaillierte Einblicke in die Wechselwirkungen von AlOx Vor- und Zwischenstufen sowie Feststoffen mit den Additiven zu erhalten. Die Vision ist, Korrelationen zwischen Additivstrukturen und -effekten auf die AlOx-Bildung zu finden, als einen ersten Schritt zur Etablierung einer Additiv-Bibliothek zur zielgerichteten Materialsynthese. In jedem Fall wird dieses Projekt ein fundamental verbessertes Verständnis der wässrigen Chemie des Al(III) ermöglichen, das nötig ist, um Anwendungen von Aluminium in verschiedenen aktuellen Bereichen weiterzuentwickeln —insbesondere hinblicklich des schädlichen Gesundheitseinflusses.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Isothermes Titrationskalorimeter (ITC)
• Gerätegruppe: 8660 Thermoanalysegeräte (DTA, DTG), Dilatometer