Keimbildung und Teilung aktiver Tröpfchen

• Antragsteller: Professor Dr. Job Boekhoven
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576013390

Dieses Projekt erforscht aktive Tröpfchen – dynamische, nicht im Gleichgewicht befindliche Flüssigkeitskompartimente, die durch chemische Reaktionen unter Verbrauch eines chemischen Brennstoffs entstehen. Im Gegensatz zu klassischen Emulsionen oder Koazervaten, die im thermodynamischen Gleichgewicht existieren, bestehen aktive Tröpfchen aus Molekülen, die durch eine durch eine Reaktion mit Brennstoff aktiviert und anschließend spontan deaktiviert werden. Dieser ständige Umsatz führt zu einem Materialfluss in die und aus den Tröpfchen heraus – mit daraus resultierenden Phänomenen, die im Gleichgewicht nicht auftreten: kontrollierte Größenverteilung, unterdrückte Nukleation und sogar spontane Teilung. Diese Verhaltensweisen wurden theoretisch vorhergesagt, sind experimentell jedoch kaum belegt. Ziel des Projekts ist es, diese theoretischen Vorhersagen experimentell zu überprüfen. Dazu entwickeln wir eine modulare Bibliothek aus chemisch aktivierten Peptiden mit systematisch variierbaren Deaktivierungskinetiken. Mit dieser Bibliothek untersuchen wir: (1) den Zusammenhang zwischen Kinetik und Tröpfchengröße; (2) die spontane Teilung von Tröpfchen bei plötzlicher Erhöhung der Brennstoffkonzentration; (3) das Verhalten aktiver Tröpfchen in Brennstoffgradienten, ähnlich zur Kompartmentalisierung in Zellen; und (4) den Einfluss kurzer Lebensdauern auf die Tröpfchennukleation, um mögliche kinetische Kontrollmechanismen aufzudecken. Das Projekt baut auf unserer Vorarbeit mit carbodiimid-basierten, aktiven Peptidtröpfchen auf, in denen wir bereits neuartige dissipative Strukturen beobachtet haben – etwa sphärische Hüllen oder emulsionsartige Systeme mit kontrollierter Größe. Zur Untersuchung nutzen wir moderne Methoden wie Mikrofluidik, konfokale Mikroskopie und kinetische Modellierung, um Tröpfchendynamiken in Echtzeit zu analysieren. Alle Arbeitspakete sind darauf ausgerichtet, theoretische Vorhersagen unter klar definierten Bedingungen experimentell zu testen – teilweise in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Gruppen. Die Untersuchung der chemischen Reaktionskinetik, die aktive Tröpfchen steuert eröffnet neue Perspektiven auf selbstorganisierende Systeme fernab des thermodynamischen Gleichgewichts. Die Ergebnisse liefern grundlegende Erkenntnisse zur Rolle kinetischer Steuerung bei Phasentrennung, mit Relevanz für synthetische Biologie, Systemchemie und die Entwicklung adaptiver, „lebensähnlicher“ Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen