Einfluss der Topologie auf die Polymerdynamik in Ringen und ihren Blends

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Margarita Kruteva; Professor Dr. Siegfried Stapf
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571095035

In diesem Projekt beabsichtigen wir, Neutronenstreuung und Spinrelaxations-NMR und Diffusions-NMR zu kombinieren, um die Dynamik von Ringpolymeren in verschiedenen topologischen Umgebungen zu untersuchen und so experimentelle Beweise für die durch Theorie und Computersimulation vorhergesagten Phänomene zu liefern. Dabei werden Kombinationen von Molekulargewichten von Ring-Ring- und Ring-Linear-Mischungen durchgeführt, wobei mittels partieller Deuterierung intra- und intermolekulare Beiträge zur Dynamik untersucht werden auf der Grundlage von (i) NMR-Methoden, die sich auf Spin-Gitter-, Spin-Spin-Relaxations- und Spin-Echo-Phänomene konzentrieren und ein großes Zeitintervall von 10-9 bis 10-1 s abdecken; (ii) quasielastische Neutronenstreuung (QENS), insbesondere Neutronen-Spin-Echo-Spektroskopie (NSE), auf der Zeitskala 10-9 – 10-6 s, was eine Raumauflösung von einem bis zu mehreren zehn Nanometern ermöglicht. Die Experimente werden durch theoretische Untersuchungen unterstützt, die sich auf die experimentell beobachteten Phänomene und Funktionen konzentrieren. Die Synthese der hydrierten und deuterierten Poly(ethylenoxid) (PEO)-Ringpolymere wird am JCNS, Forschungszentrum Jülich (FZJ), durchgeführt. Polymere (ringförmig und linear) mit enger Molekulargewichtsverteilung werden durch GPC, DLS, NMR etc. charakterisiert. Abhängig vom Molekulargewicht wird die Charakterisierungsmethode gewählt. Die Experimente (Neutronenstreuung und NMR) werden an identischen Proben durchgeführt. Der experimentelle Teil des Projekts befasst sich mit der Untersuchung der Dynamik von Ringmolekülen und Ring/linearen Mischungen auf einer breiten Zeitskala und beleuchtet dabei verschiedene Aspekte der Ringdynamik, darunter der Ursprung des subdiffusiven Verhaltens der Schwerpunktsbewegung des Rings in verschiedenen Umgebungen: Ring-Ring- und Ring/lineare Mischungen bei unterschiedlicher Ringkonzentration. Die dynamischen Parameter werden in Form eines Phasendiagramms dargestellt, das die Phänomene in Abhängigkeit von Molekulargewicht, Gewichtsanteil und Topologie widerspiegelt. Die Ergebnisse sind wichtig für die Biologie und die Materialwissenschaften, wo die Topologie eine bedeutende Rolle spielt. Der Proof of Concept wurde von den Antragstellern bereits durchgeführt und bedarf weiterer systematischer Untersuchungen. Die einzigartige Kombination von Neutronenstreu- (JCNS) und NMR- (TU Ilmenau) Techniken, der Synthese von schmal verteilten Ring- und linearen Polymeren und dem theoretischen Ansatz sorgt für die erfolgreiche Umsetzung des Projekts. Insbesondere die Synthese großer Ringe im Grammbereich, die bei linearen Ketten eine stark verschränkte Schmelze mit enger Molekulargewichtsverteilung voraussetzt, macht das Projekt einzigartig auf dem Gebiet der Polymerphysik und -chemie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen