Mechanofluoreszierende Oberflächen zur Untersuchung von mikroskopischen Kontaktkräften an wässrigen Grenzflächen

• Antragsteller: Quinn Alexander Besford, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496201730

Dieses Projekt zielt darauf ab, neue hochmoderne, drucksensitive Oberflächen zu entwickeln, die Kontaktkräfte in wässrigen Umgebungen direkt auflösen können. Kontaktkräfte zwischen festen Körpern und an Flüssigkeits-Festkörper-Grenzflächen sind in physikalischen und biologischen Systemen allgegenwärtig und spielen eine wichtige Rolle bei Adhäsion, Zellwachstum und Gefäßströmung. Aktuelle Methoden zur Quantifizierung von Oberflächenkontaktkräften haben mehrere Einschränkungen in Bezug auf die räumliche Auflösung, Dimensionalität und Kraftempfindlichkeit. Um diese Limitierungen zu überkommen, werden mechanofluoreszierende Polymer-Bürstenoberflächen entwickelt, um Kontaktkräfte hochauflösend und mit variabler Richtungsabhängigkeit (schiebend oder ziehend) direkt zu quantifizieren. Diese sensorische Aktivität der Oberflächen wird über die Empfindlichkeit der Fluoreszenzlebensdauer von den in die Polymerbürstenschichten eingebetteten Fluorophoren realisiert. Es wird postuliert, dass diese Aktivität von der Konformation der Polymerbürsten abhängt, welche selbst durch eine mechanische Kontaktkraft, ausgeübt durch eine Flüssigkeit oder einen berührenden Festkörper, verändert werden kann. Diese Hypothese soll in 5 aufeinanderfolgenden Arbeitspaketen untersucht werden: (1) Synthese komplexer Copolymere, die spezifische Fluorophore enthalten; (2) Assemblierung der Polymerbürsten und Validierung der Fluoreszenzeigenschaften in Abhängigkeit von der Polymerkonformation; (3) Validierung der Fluoreszenzeigenschaften durch Molekulardynamiksimulationen; 4) Integration der Rasterkraftmikroskopie in die Fluoreszenz-Lebensdauer-Mikroskopie, um die Beziehungen zwischen Kraft und Fluoreszenz direkt zu untersuchen; 5) Anbringung von Polymerbürsten in mikrofluidische Kanäle, um den Flüssigkeitsdruck innerhalb komplexer Architekturen zu quantifizieren. Es wird erwartet, dassdiese Daten neue Informationen über die Physik von Kontaktkräften in Echtzeit und einer Auflösung im Nanometerbereich liefern, was wiederrum neue Einblicke in die Krafterzeugung und -ausbreitung in einem wässrigen Kontext ermöglicht. Diese neuen Erkenntnisse haben großes Potential zu einem erweiterten grundlegenden Verständnis von Kontaktkräften in biologischen Systemen beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen