Auf dem Weg zu einem grundlegenden Verständnis der Eisbildung und -schmelze durch Nanoengineering im Bereich von Bulk-Wasser.

• Antragsteller: Dr. Shuai Li
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535007237

Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts liegt auf der Untersuchung der komplexen Mechanismen, die den Kristallisations- und Schmelzprozessen von Eiskristallen auf mikro- und nanoskaliger Ebene in wässrigen Lösungen und Suspensionen zugrunde liegen. Das Ziel ist es, ein tieferes Verständnis für diese grundlegenden Prozesse zu erlangen und effizientere Strategien zur Kontrolle von Eiskeimung, -wachstum und -rekristallisation in übersättigtem Wasser zu entwickeln. Im Rahmen dieses Projekts werden wir den Einfluss verschiedener Faktoren wie Salzionen, Nanomaterialien (wie Nanodrähte und 2D-Materialien wie Graphenoxid) und eisadsorbierender Polymere auf diese Phänomene untersuchen. Im Folgenden sind drei spezifische Ziele aufgeführt, die unsere Untersuchungen leiten werden: Ziel 1: Verbesserung unseres Verständnisses des Eiskeimungsprozesses in unterkühltes Wasser. Dieses Ziel beinhaltet eine sorgfältige Untersuchung der Eiskeimungstemperatur und des Einflusses von Zusätzen. Wir verwenden Salze, 1D- und 2D-Nanomaterialien sowie Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Größen, Ladungen oder Molekulargewichten als unsere Hauptwerkzeuge für Experimente. Durch den Einsatz fortschrittlicher optischer Mikroskopietechniken werden wir den Gefrierprozess genau beobachten und physikalische Modelle entwickeln, die die beobachteten Ergebnisse präzise beschreiben. Ziel 2: Aufdeckung der Feinheiten des Eiwachstums (Rekaleszenz und Solidifikation) in übersättigtem Wasser auf mikroskaliger Ebene. Dieses Ziel beinhaltet eine umfassende Studie der die Eiswachstumskinetik bestimmenden Faktoren und des Einflusses von Zusätzen. Durch die Untersuchung der Wachstumsraten von Eiskristallen unter verschiedenen Zusatzbedingungen werden wir die Ergebnisse auf der Grundlage thermodynamischer Prinzipien interpretieren. Diese Untersuchung wird wertvolle Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Dynamiken des Eiwachstums liefern und zu einem umfassenden Verständnis dieser Prozesse beitragen. Ziel 3: Untersuchung des Eisrekristallisationsprozesses auf mikroskaliger Ebene. Dieses Ziel umfasst eine detaillierte Analyse der an der Rekristallisation beteiligten Kinetik sowie eine Bewertung der Wirksamkeit von Zusätzen bei der Hemmung dieses Prozesses. Darüber hinaus werden wir versuchen, die zugrunde liegenden Mechanismen der Eisrekristallisation durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und theoretischer Modellierung zu entschlüsseln. Indem wir diese drei spezifischen Ziele konsequent verfolgen und hochmoderne experimentelle Techniken einsetzen, erwarten wir einen bedeutenden Beitrag zu unserem Verständnis der Kristallisations- und Schmelzprozesse von Eis zu leisten. Darüber hinaus werden die gewonnenen Erkenntnisse aus dieser Forschung in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen, darunter Materialwissenschaften, Klimaforschung und Kryobiologie, breite Auswirkungen haben und letztendlich Fortschritte und Innovationen in diesen Bereichen vorantreiben.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Thomas Schutzius, Ph.D.