NSF-DFG Confine: Erzeugung funktionaler Suprapartikel durch gezielte Anordnung nichtsphärischer Nanopartikel unter Einschluss

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Engel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509443407

Die Kristallisation ist ein universelles Phänomen, das vielen natürlichen und synthetischen Prozessen zugrunde liegt. Beispiele sind das Wachstum von Schneeflocken, die Lösung der Struktur von Proteinen und die Entdeckung pharmazeutischer Wirkstoffe. Im Gegensatz zu den umfangreichen experimentellen Studien über die Kristallisation im unendlichen Raum ist die Kristallisation in einer begrenzten Geometrie ein weniger erforschtes, aber ergiebiges Forschungsthema mit tiefgreifenden Auswirkungen auf so unterschiedliche Phänomene wie das Wachstum von Zellaggregaten, die Bildung biologischer Muster, die DNA-packung in Viruskapsiden, die Optoelektronik und die effiziente Packung und der Transport von Lebensmitteln. Durch kolloidale Kristallisation von Nanopartikeln (NP) unter Einschluss (z.B. in Emulsionströpfchen) entstehen definierte und dispergierbare Überstrukturen, so genannte Suprapartikel. Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist es, das Design und die Synthese von Suprapartikeln voranzutreiben, indem eingeschränkte Geometrien genutzt werden, um die Zusammenlagerung und die Kristallisation von NP zu steuern. Im Gegensatz zu den umfangreichen computergestützten und experimentellen Studien über kugelförmige NP unter Einschluss, werden unsere Suprapartikel aus Dutzenden bis Tausenden von formanisotropen NP bestehen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass das Zusammenspiel von NP-Form, Oberflächenchemie und dem Einfluss der Begrenzungsumgebung eine reiche Vielfalt an Suprapartikeln mit präzisen dreidimensionalen Anordnungen hervorbringen wird. Unser experimentell-computergestützt arbeitendes Team in den USA und Deutschland wird die Auswirkungen der NP-Eigenschaften (Größe, Form, Zusammensetzung und Ligandenchemie) und der Einschlussbedingungen (Dimensionalität und Krümmung des Einschlusses) untersuchen, um die Prinzipien aufzudecken, die die Zusammensetzungswege und das Phasenverhalten der Suprapartikel bestimmen. Unsere Arbeit wird den Werkzeugkasten des Suprapartikel-Designs erweitern und künftige Berechnungsstudien anregen, die über harte Polyeder hinausgehen, indem sie realistische Wechselwirkungen zwischen den Partikeln einbeziehen. Die erhaltenen Suprapartikel sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in plasmonischen Metamaterialien, porösen Materialien, wiederverwertbaren Katalysatoren, Medikamentenverabreichung, Kosmetika, pharmazeutischen und Lebensmittelwissenschaften und anderen Bereichen. Unser langfristiges Ziel ist es, hierarchisch geordnete, anwendungsreife Suprapartikel mit maßgeschneiderten Eigenschaften und maximaler Leistung zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xingchen Ye