Spin-Sonden-gestützte Erkennung von Flüssigkeiten in begrenzten Geometrien und Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Wrachtrup
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509457256

Wenn eine feste Oberfläche die Moleküle eines Fluids einschließt, entsteht eine neue Dynamik z. B. in Form von erhöhter Viskosität, lokaler Ordnung oder kollektiver Bewegung, deren praktische Auswirkungen Bereiche der Tribologie über die Materialverarbeitung bis zur Membranphysik umfassen. Der Einschluss wirkt sich auch auf den Ionentransport und/oder die Geschwindigkeit und die Gleichgewichtskonzentration in einer chemischen Reaktion aus, so dass die physikalische Chemie kleiner Flüssigkeitsvolumina von großem Interesse ist. Die Untersuchung dieser Effekte ist jedoch notorisch schwierig, vor allem weil es an experimentellen Methoden mit der erforderlichen Empfindlichkeit und räumlichen oder zeitlichen Auflösung fehlt. Dieses Problem ist besonders akut bei heterogenen Systemen, wie sie in der Katalyse oder den Biowissenschaften vorkommen , da es oft schwierig ist, die typischerweise winzigen Signaturen des Einschlusses aus den makroskopischen Signalen zu extrahieren. Hier schlagen wir vor, einen neuen Weg zur Untersuchung von eingeschlossenen Flüssigkeiten zu beschreiten, indem wir oberflächennahe Punktdefekte in Festkörpern als lokale, nanoskopische Sonden verwenden. Wir identifizieren zwei komplementäre Forschungsrichtungen: Die erste nutzt neuartige Methoden der magnetischen Resonanzspektroskopie auf NV-Basis, um die Wasserdiffusion unter variabler Einschließung und Oberflächenhydrophobie zu untersuchen; dazu gehört auch die Entwicklung neuartiger, an schweres Wasser angepasster Messstrategien, ein Bereich, in dem wir Experimente und pfadintegrale Molekulardynamiksimulationen kombinieren werden. Der zweite Forschungsschwerpunkt konzentriert sich auf die Nutzung externer, durch ferromagnetische Spitzen induzierter Gradienten, die wir nutzen werden, um die molekulare Diffusion nicht-invasiv zu untersuchen und die oberflächeninduzierte Ordnung in eingeschlossenem Wasser abzubilden. Hier verlagern wir den Schwerpunkt auf die Untersuchung von mesoskaligen fluiden Systemen, in denen die Verwendung paramagnetischer Defekte praktisch unerforscht bleibt. Zu diesem Zweck stellen wir verschiedene experimentelle Protokolle vor, die wir mit den von uns mitentwickelten Magnetresonanztechniken verknüpfen, um nanoskopische Volumina von Modellflüssigkeiten unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Auf diese Weise nutzen wir die außerordentliche Vielseitigkeit der magnetischen Resonanztechniken, die wir hier einsetzen, um gleichzeitig die Struktur und Dynamik von Flüssigkeiten in begrenzten Umgebungen über eine breite Zeitskala zu erfassen. Der intellektuelle Wert dieses Vorschlags liegt daher im grundlegenden Wert des wissenschaftlichen Problems, das wir angehen wollen, in den innovativen Messstrategien, die wir erforschen wollen, und in dem integrierten Ansatz, den wir verfolgen - die gleichzeitige Kombination von Nanofabrikation, Molekulardynamik-Modellierung und Messung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Nicolas Giovambattista; Professor Carlos A. Meriles