Verstehen und Vorhersagen des Einflusses von Polymerdesign auf Nanoporentransport für ionische Schaltkreise

• Antragstellerin: Professorin Dr. Annette Andrieu-Brunsen
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524872189

Die Integration technologischer Nanoporen in komplexe Systeme, wie z. B. ionische Schaltkreise, ist eine Herausforderung. Dabei können Signalverstärkung und Rückkopplung und damit die Entwicklung einer neuen Generation autonomer "intelligenter" Devices, z. B. für die Sensorik, ermöglichen. In der synthetischen Biologie, an der Schnittstelle zwischen Biologie und Elektrotechnik, zeigen zellfreie Schaltkreise die Kommunikation zwischen Kompartimenten. Erste wenige Beispiele für die Integration technologischer (mit Polymeren funktionalisierter) Nanoporen in Schaltkreise gehen über ein erstes proof-of-concept nicht hinaus. Um die Entwicklung von Ionenschaltkreisen mit technologischen Nanoporen voranzutreiben, ist der selektive, gerichtete und in Transportraten einstellbare (Konzentrations-Zeit-Profile) Transport entscheidend. In Anlehnung an biologische Poren und ihre Rolle bei der Kommunikation zwischen zellulären Kompartimenten, sind Fortschritte für technologische Poren hinsichtlich der Präzision der Nanoporenfunktionalisierung und des systematischen Verständnisses aller in der Pore auf der molekularen Längenskala auftretenden Phänomene nötig. Aufgrund der relevanten Längenskala von wenigen Nanometern und der hochdynamischen Phänomene, die in Nanoporen auftreten, kann ein systematisches Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung und ein prädiktives Nanoporen- und Transportdesign nur durch eine enge Verzahnung von Experiment und Modellierung erreicht werden. Im Rahmen dieses Projektes sollen optimierte Strategien für die Funktionalisierung von Nanoporen entwickelt werden, die über die bestehende responsive Homopolymerfunktionalisierung hinausgehen und Monomerkombinationen, das Design der Polymerkettenzusammensetzung und die lokale Polymeranordnung berücksichtigen. Die Polymerzusammensetzung und -anordnung reguliert die Ladung, die Polarität und damit auch die Transportselektivität und -kinetik. Das vorgeschlagene Projekt wird i) die neuesten experimentellen Strategien zur Funktionalisierung von Nanoporen unter Anwendung kontrollierter Polymerisationen mit ii) den neuesten Entwicklungen in der Molekulartheorie zum Transport von polymerfunktionalisierten Nanoporen verknüpfen. So werden alle relevanten Prozesse und ihr Zusammenspiel innerhalb einer Nanopore räumlich aufgelöst, verstanden, vorhersagbar und experimentell kontrolliert, einschließlich der Konformationsänderungen des Polymers, der Ladungsverteilung und Regulierung, der Polarität und der Ligandenbindung sowie der Ionenverteilung innerhalb einer Nanopore. Die gewonnenen Erkenntnisse werden die Definition von Designkriterien für einen selektiven, gerichteten Transport mit Konzentrations-Zeit-Profil-Kontrolle ermöglichen. Die Designkriterien werden direkt in eine optimierte experimentelle Nanoporenfunktionalisierung zurückfließen. Die entwickelte Struktur-Eigenschafts-Beziehung soll in einem potenziellen Folgeprojekt zum Aufbau ionischer Schaltkreise für die Sensorik genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igal Szleifer