Assemblierung kolloidaler Suprapartikel bestehend aus anisotropen Nanobausteinen durch Lösungsmittelverdampfung

• Antragsteller: Professor Dr. Arash Nikoubashman
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509039598

Kolloidale Suprapartikel, die aus kleineren Nanopartikeln bestehen, sind vielseitige Materialien, deren Eigenschaften durch die Art und Anordnung der einzelnen Bausteine maßgeschneidert werden können. Poröse Suprapartikel sind wegen ihrer katalytischen, photonischen und Absorptionseigenschaften besonders vielversprechende Materialien für viele Anwendungen. Solche Suprapartikel können skalierbar durch Lösungsmittelverdampfung hergestellt werden, wodurch die Nanopartikel innerhalb von Flüssigkeitströpfchen angeordnet werden. Diese Prozesse sind durch komplexe Wechselwirkungen und Nichtgleichgewichtstransporteffekte im eingeschränkten Raum gekennzeichnet, und bisher nur unzureichend verstanden. Diese Wissenslücke schränkt jedoch unsere Möglichkeiten zur gezielten Herstellung von Suprapartikeln mit gewünschten Strukturen und Eigenschaften ein. Frühere Experimente konzentrierten sich weitgehend auf Suprapartikel bestehend aus kugelförmigen Nanopartikeln, aber Teilchen mit gerichteter Wechselwirkung oder Formanisotropie besitzen ein ungenutztes Potenzial für die Realisierung poröser Suprapartikel. Die Erforschung dieser vielversprechenden Strategien wird jedoch durch die enorme Bandbreite an Nanopartikeleigenschaften und Verarbeitungsbedingungen behindert, und es besteht daher ein dringender Bedarf an genauen und effizienten theoretischen und numerischen Modellen, um die Nanopartikelanordnung in trocknenden Tröpfchen vorherzusagen. Primäres Ziel dieses Projekts ist die Modellierung trocknender Flüssigkeitströpfchen, die Nanopartikel mit Wechselwirkungsanisotropie oder Formanisotropie beinhalten. Howard und Nikoubashman werden ihr komplementäres Fachwissen kombinieren, um partikelbasierte Simulationen (Nikoubashman) und Kontinuumsmodelle (Howard) für diesen eingeschränkten Transportprozess zu entwickeln. Das partikelbasierte Modell wird die "Multiparticle Collision Dynamics" Methode zur Modellierung hydrodynamischer Wechselwirkungen verwenden, während das Kontinuumsmodell auf klassischer dynamischer Dichtefunktionaltheorie basieren wird. Die Modelle sollen dazu beitragen, ein grundlegendes Verständnis über die Auswirkungen des Einschlusses auf die Wechselwirkungen und die Dynamik von Nanopartikeln zu erhalten. Der gemeinschaftliche Ansatz wird mehr Erkenntnisse liefern, als dies durch einen einzelnen Ansatz möglich wäre, da die beiden Modelle unterschiedliche Längen- und Zeitskalen erfassen und sich gegenseitig anleiten und validieren können. Wir werden systematisch untersuchen, wie die Eigenschaften der Nanopartikel (z.B. Anzahl der attraktiven Stellen, Seitenverhältnis) und die Verarbeitungsbedingungen (z.B. Tröpfchengröße, Trocknungsgeschwindigkeit) die Porositätsverteilung im Suprapartikel bestimmen. Die untersuchten Modellierungsstrategien können auch wichtige Einblicke in andere Themenbereiche liefern, z.B. für die Herstellung maßgeschneiderter nanomedizinischer Therapeutika oder für das Verständnis des Transports in biologischen Zellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Michael Howard, Ph.D.