Anti-Stokes-Kühlen für die Fluidik

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Cichos
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465090835

Temperatur spielt in Physik, Chemie, Biologie und Ingenieurwesen eine allgegenwärtige Rolle. Eine Änderung der Temperatur kann Phasenübergänge induzieren, chemische Reaktionen verstärken oder hemmen sowie Stoffwechselprozesse in Organismen beschleunigen oder verlangsamen. Viele Herstellungsverfahren beruhen auf einer genau definierten Temperatur. Temperaturunterschiede treiben thermodynamische Maschinen an. Die Temperatur wird jedoch oft nur als globaler Parameter eines Systems durch Heiz- oder Kühlelemente kontrolliert, um ein thermodynamisches Gleichgewicht sicherzustellen. Kürzlich wurde gezeigt, dass Metallnanopartikel wirksame lichtgesteuerte Nano-Heizquellen sind, die es ermöglichen, Wärme hochlokal an gut kontrollierten Positionen einer Probe zu injizieren. In diesem sich dynamisch entwickelnden Bereich der Thermoplasmonik wurden lokale Temperaturerhöhungen eingesetzt, zum Beispiel für fluidische Anwendungen, die thermophoretische Drifts gelöster Stoffe oder thermoosmotische Flüssigkeitsströme induzieren und so biologische Objekte auf kleinsten Längenskalen transportieren und manipulieren. Licht kann aber auch zum Kühlen eingesetzt werden, wie Anwendungen zur Kondensation von atomaren Gasen oder dem Kühlen von mikromechanischen Systemen zur Untersuchung ihres quantenmechanischen Grundzustands eindrucksvoll zeigen. Die meisten dieser Kühlexperimente finden jedoch im Vakuum statt, gut isoliert von einem Bad mit wohldefinierter Temperatur. Im Rahmen dieses Projekts wollen wir die Laserkühlung von Nanokristallen in flüssige Umgebungen bringen, um sie in fluidischen Anwendungen einzusetzen. Ytterbium-dotierte Nanokristalle sollen mit Hilfe unelastischer Anti-Stokes-Streuprozesse optisch gekühlt werden, wie kürzlich in D2O und Vakuum gezeigt wurde. Wir werden die Anwendbarkeit des Kühlens solcher Nanokristalle auf wässrige Umgebungen erweitern, indem wir verschiedene Arten der Oberflächenpassivierung untersuchen, um eine schnelle oberflächenbedingte Deaktivierung des angeregten Zustands auszuschließen, die einer der Prozesse sein soll, die eine effiziente Kühlung in Wasser verhindern sollen. Mit Hilfe der Raman-Thermometrie messen wir die Temperatur der Nanokristalle und bestimmen die Effizienz des Kühlprozesses. Wir werden dann die Nanokristalle als kalte Stellen für fluidische Anwendungen verwenden und thermoosmotische Grenzflächenströmungen messen, die durch die Temperaturgradienten entlang fest–flüssig Grenzflächen erzeugt werden. In Kombination mit optisch gesteuerten Wärmequellen (Metallnanopartikel) werden wir die kontrollierte Erzeugung thermoelektrischer Felder in Elektrolytlösungen als weitere Manipulationsmöglichkeit für die Fluidik untersuchen. Neben diesen fluidischen Anwendungen wird die Fähigkeit, in kondensierten Systemen lokale Temperaturabsenkungen zu erreichen eine Reihe neuer Möglichkeiten für die Manipulation biologischer Systeme eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pawel Karpinski