Kristallisationskontrolle von responsiven Mikrogelpartikeln durch zyklische Stimuli

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Löwen; Professor Dr. Nicolas Vogel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389865760

Selbstorganisierte kristalline Materialien werden in vielen Anwendungsbereichen der Nanotechnologie eingesetzt, die von der Photonik und Plasmonik bis hin zur Phononik und Elektronik reichen. Dabei hängen die fundamentalen optischen und elektronischen Materialeigenschaften empfindlich von Verunreinigungen und Kristalldefekten ab, welche die idealen und optimierten periodischen Strukturen stören. In diesem Projekt schlagen wir eine neue Nichtgleichgewichtsroute zu hochreinen Kristallstrukturen vor, über welche das System einem zeitperiodischen externen Stimulus ausgesetzt wird. Wir fokussieren uns hier auf kolloide Suspensionen aus thermoresponsiven Mikrogelpartikeln, deren Größe durch externeTemperatur- oder Lichtfelder sehr effizient gesteuert und variiert werden kann. Die Projektidee besteht darin, dass ein zyklischer externer Stimulus ein periodisches Aufquellen und Kollabieren des System induziert, was dann durch diese periodische Atmungsmode ein Ausheilen des entstehenden Kristalls begünstigt, dadurch dass lokale Energiebarrieren überwunden werden. Bei optimalen Bedingungen kann nach dieser Arbeitshypothese sogar ein perfekter periodischer Kristall als thermodynamisch stabiler Gleichgewichtsgrundzustand erzeugt werden. In dem Projekt werden wir diese Hypothese komplementär durch Experimente an Mikrogelkugeln, die einem zyklischen Stimulus ausgesetzt werden, und durch Computersimulationen an Modellsystemen untersuchen. Die Modellsimulationen sollen dazu eingesetzt werden, die Trends vorherzusagen und damit die experimentellen Parameter zu optimieren. Im Detail besteht das Projektziel darin, zunächst einen prinzipiellen Beweis unserer Arbeitshypothese zu erbringen, dass zyklische externe Stimuli Kristalldefekte reduzieren, und sodann die optimalen Parameter dieser Atmungsmode zu identifizieren. Schließlich soll dieses Konzept benutzt werden, um schwer erreichbare thermodynamische Grundzustände herzustellen, insbesondere in binären Mischungen und an gekrümmten Grenzflächen, wo kompositionelle und topologische Nebenbedingungen die Bildung eines perfekten Kristalls einschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen