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Projekt
WARP: Das "Wave Riding Particles" Gerät - Charakterisierung von Flüssig-Fest-Grenzflächen durch simultane KI-basierte Verfolgung und Analyse von magnetischen Mikropartikelschwärmen als Sonden in nahezu Echtzeit
Fachliche Zuordnung
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566304473
Die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften einer Probe in flüssiger Umgebung ist in zahlreichen Disziplinen von Interesse, von den Materialwissenschaften bis hin zur Entwicklung neuer Nanostrukturen. Besonders für biologische in-vitro-Untersuchungen müssen lebende Organismen in ihrer natürlichen, wässrigen Umgebung analysiert werden. Dasselbe gilt für Proteine, Bakterien und Viren, deren Funktionen eng mit ihrer Form verknüpft sind, die wiederum vom umgebenden Medium abhängt. Aufgrund dieser hohen Nachfrage wurden verschiedene Techniken zur Analyse von Oberflächeneigenschaften in Flüssigkeiten entwickelt, wobei die Rasterkraftmikroskopie (AFM) die Bekannteste ist. Obwohl sie eine hohe Auflösung bietet, bringt die Durchführung von Messungen, bei denen sowohl die Probenoberfläche als auch die Messspitze von einer Flüssigkeit umgeben sind, eigene Herausforderungen mit sich. Zum Beispiel führt der Kontakt mit einer Flüssigkeit zu einer unerwünschten Dämpfung der oszillierenden Spitze in dynamischen Messmodi. Darüber hinaus sind die Messzeiten durch die Abtastgeschwindigkeit der Spitze begrenzt. In diesem Projekt möchten wir über herkömmliche Techniken zur Untersuchung von Oberflächeneigenschaften in Flüssigkeiten hinausgehen und eine experimentelle Apparatur entwickeln, die eine Auswertungsmethode auf Basis von Techniken der künstlichen Intelligenz umfasst, um flüssigkeitsvermittelte Oberflächenpotenziale zu entschlüsseln. Wir beabsichtigen, magnetische Mikropartikel als Sonden für die Oberflächenpotenziale zu verwenden – ähnlich einer AFM-Spitze, jedoch ohne diese an einen Cantilever zu befestigen. Dieser Ansatz birgt das Potenzial einer massiven Parallelisierung, da viele Partikel gleichzeitig getrackt werden können. Die Methode basiert auf einer Kombination aus spezieller Mikroskop-Hardware und automatisierter, dreidimensionaler Partikeltracking-Strategie. Die Bewegung der Partikel nahe und entlang der zu untersuchenden Oberfläche wird durch ihre Einbettung in eine periodische, magnetische Streufeldlandschaft realisiert, die durch ein magnetisch strukturiertes Substrat unter der analysierten Probe erzeugt wird. Diese statischen Streufelder werden zusätzlich durch externe Magnetfeldpulse überlagert. Unser Ziel ist die Entwicklung einer Cantilever-freien Methode zur Untersuchung flüssigkeitsvermittelter Oberflächen-Wechselwirkungen, die den herkömmlichen AFM-Ansatz in folgenden Punkten übertrifft: 1.) Messgeschwindigkeit (viele Partikel/Sonden ermöglichen eine massive Parallelisierung), 2.) Messbereich (AFM tastet typischerweise nur einen kleinen Bereich von wenigen Mikrometern ab), 3.) Zuverlässigkeit (keine Artefakte durch flüssigkeitsbedingte Dämpfung von schwingenden Elementen), 4.) Flexibilität (verschiedene Partikelformen und chemische Oberflächengruppen können eingesetzt werden), und 5.) Einfachheit (keine Entfaltung von Proben- und Spitzenbeiträgen erforderlich).
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