Programmierbare Selbstassemblierung polymerer Nanopartikel mit Oberflächentopographie zu funktionalen, porösen 2D/3D Nanopartikel-Gittern

• Antragsteller: Professor Dr. André Gröschel
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 376920678

Eine Vielzahl aktueller wissenschaftlicher und technologischer Probleme lässt sich auf fundamentale Herausforderungen zurückführen, die Struktur und Chemie von Grenzflächen auf der Meso-, Micro- und Nanoskala zu kontrollieren. Hier sind frische Konzepte gefragt zur Entwicklung funktionaler Materialien mit definierter Grenzfläche und minimalen Transportwegen, z. B. zur Herstellung neuartiger Kathoden für Hochleistungsbatterien, poröse Substrate für verbesserte Energiekonversion (Katalyse, Photovoltaik), Wasseraufbereitung, Hybrid-Nanomaterialien für Tissue Engineering und Komponenten der Nanoelektronik. Ein vielversprechender Ansatz um diese Herausforderungen anzugehen ist die Selbstassemblierung kleiner Bausteine zu geordneten Strukturen von Grund auf, was prinzipiell die Anordnung mehrerer Komponenten mit höchster Präzision und Komplexität erlaubt. Trotz großer Bemühungen ist speziell die Selbstassemblierung definierter poröser Gitter im Bereich von 50 - 500 nm weiterhin eine große Herausforderung. Diese Lücke ergibt sich schlicht durch mangelnde Auswahl an geeigneten nanoskaligen Bausteinen mit genügend hoher Auflösung der gerichteten Wechselwirkungsmuster. Außerdem fehlt es an Kenntnissen über Selbstassemblierungspfade und Kinetiken zur Ausbildung von offenen Nanopartikelgittern mit weitreichender Ordnung. Hier könnte sich die Verformbarkeit polymerer Partikel als entscheidender Vorteil zur Ausbildung defektfreier Gleichgewichtsstrukturen herausstellen. In diesem Emmy Noether-Projekt sollen Konzepte der Block Copolymer Selbstassemblierung sowie der supramolekularen und suprakolloidalen Chemie kombiniert werden, um hochkomplexe Nanomaterialien aufzubauen. Folgenden Ziele werden angestrebt: Die Herstellung von Polymer-Nanopartikeln mit hochaufgelöster Oberflächen-Topographie sowie deren Verwendung zur gerichteten Selbstassemblierung funktionaler, offener Nanopartikelgitter. Verknüpfbare Polymere erlauben dabei das Abspalten einzelner Blöcke sowie die kombinatorische Synthese unterschiedlicher Nanopartikeln mit zugänglicher Nanotopographie (Erhebung oder Aussparung). Kryogene Transmissionselektronentomographie liefert dazu als moderne Methode eine genaue Analyse der Nanopartikeloberfläche. Die eingearbeitete Oberflächensymmetrie und Chemie der Partikel wird anschließend in ein Nanopartikelgitter mit kontrollierter Periodizität übertragen, wobei Nanopartikel mit Aussparungen für die Co-Assemblierung mit komplementär geformten organischen, anorganischen oder biologischen Bausteinen untersucht werden (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Um ein tiefgreifenderes Verständnis zu Assemblierungskinetiken zu erlangen, wird die Überstrukturbildung zeitaufgelöst in einer TEM Flüssigzelle in situ verfolgt. Schließlich wird das gewonnene Wissen angewandt, um offene Nanopartikelgitter mit Diamantstruktur durch Selbstassemblierung aufzubauen, deren experimentelle Realisierung neue Eigenschaften und potentiell neue Anwendungen hervorbringen könnten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Flüssigzelle für Transmissionselektronenmikroskopie ; Gelpermeationschromatographie-System
• Gerätegruppe: 1350 Flüssigkeits-Chromatographen (außer Aminosäureanalysatoren 317), Ionenaustauscher ; 5140 Hilfsgeräte und Zubehör für Elektronenmikroskope