Der Einfluss der Materialeigenschaften der Grenzflächen auf den Nanofluidik-Transport von schwacher bis ultrafeiner Begrenzung

• Antragstellerin: Dr. Hanne Antila
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533645981

In den letzten zehn Jahren hat sich eine schnell wachsende Industrie rund um die Mikro- und Nanofluidik gebildet. Hierbei handelt es sich um die Manipulation von Lösungsmitteln und gelösten Stoffen in Kanälen von wenigen Nanometern bis zu Hunderten von Mikrometern. Diese Techniken haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der Energiegewinnung bis zur Analyse von Biomolekülen reicht. Die geringe Größe der Geräte bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, wie zum Beispiel geringer Energiebedarf, hohe Auflösung, massive Parallelisierbarkeit und hohe Transportgeschwindigkeit bei vorhandenem Schlupf. Die Weiterentwicklung mikro- und nanofluidischer Techniken erfordert ein detailliertes Verständnis des komplexen Zusammenspiels von elektrostatischen und hydrodynamischen Wechselwirkungen, die den Transport in den Kanälen bestimmen. Dies stellt eine große Herausforderung dar, insbesondere wenn die Größe der Geräte abnimmt: Im Nanobereich werden die endliche Größe der Moleküle und Wandeffekte bedeutsam, was zu einer Zunahme neuartiger Transportphänomene in Geräten mit Abmessungen im einstelligen Nanometerbereich (sogenanntes Ultraconfinement) führt. Dadurch wird das Verständnis des Transports allein auf der Grundlage experimenteller Informationen oder Kontinuumstheorien immer komplizierter. Ziel dieser Arbeit ist es, die Leistungsfähigkeit von Multiskalen-Molekulardynamiksimulationen zu nutzen, um grundlegende Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Grenzflächeneffekte den Transport in mikro- und nanofluidischen Geräten beeinflussen. Insbesondere werden die Auswirkungen der dielektrischen Eigenschaften von Nanokanälen über eine Reihe von Längenskalen untersucht. In Simulationen wird herausgearbeitet, wie dielektrische Eigenschaften mit anderen Wandeffekten - strukturelle Oberflächenladung und Ionenadsorption und -desorption - gekoppelt werden können, um die Bewegungen von Lösungsmitteln und gelösten Stoffen präzise zu steuern, und wie Asymmetrie in den Wandeigenschaften genutzt werden kann, um das Strömungsprofil weiter anzupassen und neue Transportarten zu ermöglichen. Die untersuchten Systeme werden so ausgewählt, dass sie sowohl Informationen über die zugrundeliegenden, grundlegenden Mechanismen liefern, die den Transport über die Längenskalen steuern, als auch die Rolle der Oberflächeneigenschaften bei technologischen Anwendungen wie der Trennung von Makromolekülen demonstrieren können. Dieses Projekt kommt zur rechten Zeit, da die Zunahme der verfügbaren Rechenkapazitäten und die jüngsten Entwicklungen bei den Simulationsmethoden endlich Simulationen der Nano- und Mikrofluidik in experimentell relevanten Längen- und Zeitskalen ermöglichen, wobei sowohl die Hydrodynamik als auch die Elektrostatik des Systems vollständig berücksichtigt werden. Gleichzeitig haben experimentelle Fortschritte die Nanofluidik in die Ultraconfinement-Region gebracht, wo eine Fülle neuer Transportphänomene mit technologischem Potenzial vorliegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen