Untersuchung kolloidaler Mikrogele mit chemomechanischer Rückkopplung mithilfe dynamischer Dichtefunktionaltheorie

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Dzubiella
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575626147

Jüngste Experimente zeigen eine präzise Kontrolle katalysierter chemischer Reaktionen, die in responsiven, hydrogelbasierten Kolloiden räumlich getrennt ablaufen. Die Größenveränderlichkeit dieser katalytisch aktiven Kolloide als Reaktion auf eigene sowie äußere chemische Reize, etwa pH-Änderungen, ermöglicht die Umsetzung mechanochemischer Rückkopplungskreise mit drastischen Auswirkungen auf ihre Vielteilchenstruktur, Dynamik und Responseverhalten in kolloidalen Dispersionen. Das Verständnis und die Kontrolle des neuartigen, kollektiven Verhaltens dieser aufkommenden aktiven Kolloide wird zu bedeutenden Fortschritten im Design künstlicher Zellen und neuartiger aktiver sowie weicher Funktionsmaterialien mit lebensähnlichen Eigenschaften wie Autonomie und Adaptivität führen. Die Kontrolle der Nichtgleichgewichts-Dynamik wird jedoch durch den großen physikochemischen Parameterraum und die Empfindlichkeit der emergenten Phasen gegenüber intrinsischen chemischen und konformationellen Relaxationszeiten erschwert. Ziel dieses Projekts ist es nun, eine umfassende Theorie auf Basis der zeitabhängigen dynamischen Dichtefunktionaltheorie (DDFT) zu entwickeln, welche die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Kolloidpositionen und -größen beschreibt und mit der diffusionsgesteuerten Dynamik der chemischen Produkt- (z. B. pH) und Brennstofffelder gekoppelt ist. Diese Theorie soll eingesetzt werden, um verschiedene kollektive Zustände und deren Steuerung durch Eingangsparameter aufzudecken. Externe Felder können in natürlicher Weise in die DDFT einbezogen werden und werden verwendet, um die Nichtgleichgewichtsantwort sowie die Steuerung der Übergänge zwischen dynamischen Zuständen zu untersuchen. Die Ergebnisse sollen aktuelle Experimente unseres Kooperationspartners begleiten und interpretieren – insbesondere im Hinblick auf Anwendungen zur Homöostase (Selbstregulation) und Adaptivität in Flüssigdispersionen rückgekoppelter aktiver Kolloide.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Sören Bartels; Professor Dr. Andreas Walther
• Kooperationspartner: Professor Dr. Arturo Moncho Jordá