NSF-DFG MISSION: Heterogene Nanopartikel-Dynamik an chromatographischen Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Cichos
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542019812

Die Flüssigchromatographie ist eine wichtige Trenntechnik. Zu ihren weitreichenden Anwendungen gehören unter anderem die chemische Reinigung, die pharmazeutische Analyse und Produktion sowie die Umweltüberwachung. Darüber hinaus ist sie von grundlegender Bedeutung für das Verständnis komplexer biologischer Systeme, die Entwicklung neuer Materialien und die Optimierung chemischer Prozesse. Das Grundprinzip der Flüssigchromatographie beruht auf der Aufteilung von Komponenten zwischen einer stationären und einer mobilen Phase, wobei unterschiedliche Wechselwirkungen zu ihrer Trennung auf der Grundlage relativer Retentionszeiten führen. Das zugrundeliegende Prinzip geht davon aus, dass kleinere, flexible Moleküle durch ihre Retention in der porösen Umgebung des festen Substrats getrennt werden. Die Vorstellung, dass entropische und enthalpische Beiträge in entweder reine Größenausschlußverfahren oder Affinitätschromatographie aufgeteilt werden können, wird nun durch die Entwicklung der Flüssigchromatographie für hybride Nanomaterialien mit anorganischen harten Kernen und funktionellen organischen Schalen in Frage gestellt. Neue Ergebnisse deuten auf ein komplexes Zusammenspiel von entropischen und enthalpischen Wechselwirkungen hin, wobei letztere von den funktionellen Schalen der Hybridmaterialien herrühren. Überraschenderweise wurde bisher kein umfassendes mikroskopisches Bild dieses Wechselspiels entwickelt, da es an experimentellen Techniken fehlt, die dieses Problem in situ an den relevanten Grenzflächen angehen können. Ziel dieses Gemeinschaftsprojekts ist es, ein neues Licht auf die Dynamik der Grenzflächenschichten zu werfen, die bei der chromatographischen Trennung von Nanomaterialien auftreten. Unsere Initiative basiert auf den jüngsten Fortschritten auf dem Gebiet der Synthese und Funktionalisierung von Nanomaterialien, der hochauflösenden 3D-Fluoreszenzmikroskopie und der thermofluidischen Manipulation von Grenzschichten. Wir werden enthalpische Beiträge kontrollieren, indem wir funktionelle Quantenpunkte (QDs, Snee-Gruppe) synthetisieren und die stationäre Phase der Chromatographiesäule (Yang-Gruppe) mit komplementären DNA-Strängen modifizieren. Wir werden die 3D-Dynamik der funktionalisierten QDs in situ mit beispielloser räumlicher (10 nm) und zeitlicher Auflösung (10 µs) in der Yang-Gruppe quantitativ untersuchen. Darüber hinaus werden wir die Dynamik und enthalpische Wechselwirkung funktionalisierter QDs mit komplementären planaren Grenzflächen (Cichos-Gruppe) erforschen, indem wir thermo-osmotische Strömungen kontrollieren, die direkt an der flüssig-fest-Grenzfläche induziert werden. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse ein neues grundlegendes Verständnis der Chromatographie ermöglichen, das sich erheblich auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Methode auswirken und die Entwicklung effizienterer oder selektiverer Trennmethoden auf der Grundlage neuartiger osmotischer Strömungen in mikrofluidischen Umgebungen anstoßen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Preston Snee, Ph.D.; Dr. Haw Yang