Soft-Assembly von aktiven und Tensid-analogen Kolloiden auf der Mesoskala

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Irene Morales Casero; Professor Dr. Sebastian Polarz
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573944842

Die Kontrolle von Periodizität und Symmetrie einer Überstruktur ist eine entscheidende Herausforderung für die Nutzung von Nanopartikel-basierten Materialien. Selbstorganisation ist eine favorisierte Methode zur Herstellung dieser Überstrukturen, wobei Partikelgröße, Form und Oberflächenfunktionalisierung entscheidende Faktoren für ihre gezielte Bildung sind. Wenn die Teilchen als persistente Objekte beschrieben werden können, die sich nur durch Brownsche Bewegung bewegen, kann die Strukturbildung durch Thermodynamik und Volumenausschluss erklärt werden. Kaum erforscht sind Assemblierungen in konzentrierten Dispersionen, wenn die Teilchen zusätzlich eine nicht-Brownsche Dynamik aufweisen. Dann ergibt sich eine Verbindung zwischen den Gebieten „partikelbasierte Materialien“ und „aktive Kolloide“. Energie kann aus Licht, magnetischen oder elektrischen Feldern oder chemisch zugeführt werden, um die Teilchenanordnung zu dynamisieren. Das Projekt wird Beiträge zu Selbstorganisationseigenschaften aktiver Kolloide liefern. Wir bauen auf Vorarbeiten zu partikelbasierten Amphiphilen auf, die aus einem Eisenoxidkern und einer Janusartig modifizierten Organosilikathülle bestehen. Bei einer Größe von unter 100 nm können sie durch schwache äußere Kräfte/Magnetfeldstärke << 1T manipuliert werden. Auf Grund des superparamagnetischen Charakters sind die magnetischen Momente aufgrund von thermischen Fluktuationen in Abwesenheit eines Feldes zufällig ausgerichtet. Wir werden das Assemblierungsverhalten der Teilchen unter verschiedenen Magnetfeldbedingungen analysieren. Wir werden nicht nur die Stärke des Magnetfelds systematisch variieren, sondern auch oszillierende Magnetfelder anwenden. Abhängig von der Frequenz erwarten wir zwei Effekte, die sich entscheidend auf die Strukturbildung auswirken. Bei niedrigen Frequenzen übt die Neuausrichtung des magnetischen Moments ein Drehmoment aus, das wiederum für nicht-kugelförmige Teilchen eine Rotation induziert, deren Herstellung ein Ziel in den synthetischen Arbeitspaketen darstellt. Bei hohen Frequenzen wird Wärme erzeugt, die die Brownsche Dynamik verstärkt. Es wird ein magneto-optischer Aufbau (Cotton-Mouton-Effekt) konstruiert und mit Lichtstreuungsdetektoren kombiniert, um die Nicht-Gleichgewichts-Selbstorganisationsprozesse zu untersuchen. Aus dem Auftreten einer optischen Anisotropie können wir auf die Orientierungsprozesse der Teilchen schließen und sie mit Aggregationsphänomenen korrelieren, die aus der dynamischen Lichtstreuung abgeleitet werden. Wir werden stäbchenförmige Janus-Nanopartikel mit unterschiedlichem Aspektverhältnis herstellen, die dem Design molekularer Tenside ähneln und definierte hydrophile und hydrophobe Domänen aufweisen und hinsichtlich des magnetischen Moments des Fe3O4-Kerns präzise ausgerichtet sind. Das Projekt verbindet die Expertise zur Physik von Systemen auf Eisenoxidbasis und der Magnetisierungsdynamik (Morales) mit der chemischen Synthese perfekter Modellpartikel (Polarz).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen