Protonentransfer in Wasser an Grenzflächen

• Antragsteller: Dr. Christoph Schran
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500244608

In allen technologischen Anwendungen, in denen Wasser zum Einsatz kommt – sei es zum Beispiel in Brennstoffzellen, der biologischen Aufnahme von Arzneistoffen, oder der Elktrokatalyse – ist Wasser im Kontakt mit Grenzflächen. Wasser ist aber keine reine Flüssigkeit, sondern beinhaltet immer eine endliche Konzentration von Protonen und Hydroxidionen, welche vom pH-Wert der Lösung abhängt. Nur wenn es grundlegend bekannt ist, wie sich solche solvatisierten Protonen und Hydroxidionen in der Nähe von technologisch relevanten Grenzflächen verhalten, kann die zielgerichtete Optimierung von neuen Technologien vorangetrieben werden, um einige der zentralen Herausforderungen unserer Zeit zu begegnen. Dies umfasst vielfälltige Prozesse und Andwendungen, wie zum Beispiel Brennstoffzellen, Protonentransferreaktionen in biologischen Ionenkanälen, die Versauerung der Meere, sowie Enzymreaktionen und ist somit verbunden mit bedeutenden Aufgaben der Zukunft. Computersimulationen auf Hochleistungsrechnern sind ein wichtiger Schlüssel, um das Verständnis von Protonentransfer in der Nähe von Grenzflächen voranzutreiben, da sie experimentelle Arbeiten durch die benötigte atomare Auflösung ergänzen und somit erklären können. Erst in neuster Zeit sind die benötigten Simulationstechniken verfügbar geworden, um die Genauigkeit zu erreichen, die für valide Vorhersagen über den dynamischen und reaktiven Charakter von Protonen und Hydroxidionen im Kontakt mit technoligisch relevanten Grenzflächen benötigt wird. Im Zuge dieses Projekts werden wir ein fundamental neues Verständnis der Struktur und Dynamik von Protonen und Hydroxidionen an Grenzflächen entwickeln, basierend auf Simulationsmethoden mit neuen leistungsfähigen maschinellen Lernmodellen zur Darstellung von Interaktionen und Eigenschaften. Dies beinhaltet unter anderem den Protonentransfermechanismus an Kohlenstoff- und Bornitrid-basierten 2D-Materialien, aber auch die Frage welche der beiden komplementären Spezies (Protonen oder Hydroxidionen) sich an solchen Grenzflächen ansammeln. In direkter Zusammenarbeit mit experimentellen Studien zu dielektrischer Mikroskopie und oberflächensensitiver Vibrationsspektroskopie streben wir nach einem umfassenden Verständnis dieser Phänomene als zuverlässige Grundlage für die Optimierung von biologischen Prozessen und technologischen Anwendungen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Angelos Michaelides