Mobilität einzelner Moleküle an den Grenzflächen von dünnen Polymerfilmen

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Enderlein; Professor Dr. Dominik Wöll
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511200316

Die Verknüpfung von Nanotechnologie und Polymeren ist ein extrem spannendes, interdisziplinäres Forschungsgebiet der Natur- und Ingenieurwissenschaften. Hierbei entstehen Grenzflächen, an denen sich Prozesse und Strukturen wesentlich von bisher Bekanntem unterscheiden. Durch neue tiefergehende Möglichkeiten der direkten Einzelmolekül-Beobachtung in diesem Projekt erwarten wir neue Einsichten in die Dynamik an solchen Grenzflächen, aus denen Innovationen entstehen können, die zu Lösungen der Herausforderungen unserer modernen Welt beitragen. Insbesondere ist ein detailliertes Verständnis der Mobilität für nanotechnologische Anwendungen polymerer Materialien unerlässlich, da Grenzflächen mit zunehmender Miniaturisierung immer stärker die Eigenschaften von Materialien dominieren. Die Dynamik an Grenzflächen ist u. a. bei elektronischen Bauteilen, organischen Leuchtdioden, Solarzellen oder selektiven Trennungssystemen und Membranen von äußerster Relevanz und bestimmt auch deren Langzeitstabilität. Die Änderungen der Polymerdynamik und der Polymereigenschaften an Grenzflächen sind trotz umfassender Untersuchungen immer noch nicht vollständig geklärt. Einer der Gründe dafür ist die unterschiedliche Mittelung einzelner Methoden über das Verhalten verschiedener Bereiche des Polymers. Um dies zu umgehen, ist die Beobachtung von Polymerdynamik auf Einzelmolekülniveau notwendigerweise erforderlich. In diesem Projekt fokussieren wir uns auf die Mobilität von Molekülen in Polymerfilmen in der Nähe einer Grenzfläche (Luft oder Substrat). Mit modernen Einzelmolekülfluoreszenzmethoden beobachten wir die Translations- und Rotationsbewegung einzelner Sondenmoleküle an Polymergrenzflächen. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen können wir dabei nun experimentell die erforderliche räumliche Nanometerauflösung insbesondere senkrecht zur Grenzfläche erzielen. Diese axiale Auflösung kann durch die vor Kurzem entwickelte metallinduzierte Energietransfer-(MIET-) Bildgebung erreicht werden, die wir im Projekt unter Einsatz eines neuartigen, einzelmolekülsensitiven Weitfeld-Fluoreszenzlebensdauer-Detektors mit Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie und defokussierter Weitfeld-Mikroskopie kombinieren werden. Somit können Translations- und Rotationsbewegung einzelner Moleküle mit deren Position mit noch nie da gewesener isotroper 3D-Auflösung korreliert werden. Damit werden wir die Temperaturabhängigkeit der Translations- und Rotationsbewegung von Fluoreszenzsonden an den Grenzflächen von Polymerfilmen untersuchen und aufklären, ob und mit welchem z-Profil sich die Mobilität an verschiedenen Polymergrenzflächen ändert.Unser Projekt stellt somit einen wesentlichen Schritt im Übergang von Ensemble-Messungen, die über die gesamte Dynamik in einem Film mitteln, zur Beobachtung lokaler Dynamik dar und wird das Verständnis über die Mobilität von (Makro-)molekülen in der Nähe von Grenzflächen im Nanometerbereich entscheidend erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen