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Projekt
Die molekulare Ebene schaltbarer Benetzung
Antragstellerin
Professorin Dr. Ellen Backus
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung
Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422852727
Intermolekulare Oberflächenwechselwirkungen bestimmen maßgeblich die Benetzungseigenschaften, an Einblicken in die Benetzung auf der molekularen Ebene mangelte es jedoch bisher. Wir schlagen hier die Verwendung photoschaltbarer Oberflächen, basierend auf Spiropyran/Merocyanin-Isomerisation, zur unmittelbaren Umschaltung der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche und der Verfolgung der molekularen Reaktion in Echtzeit vor. In der geschlossenen Spiropyranform ist das Molekül unpolar; die offene Merocyanin-Form ist zwitterionisch. Unter UV-Belichtung erhält man die Merocyanin-Form; sichtbares Licht schaltet das Molekül in die geschlossene Form zurück. Es ist bekannt, dass diese funktionalisierte Oberflächen sich im Fall des Spiropyrans hydrophob, für den der Merocyanin-Form dagegen hydrophil verhalten. Die Möglichkeit die Hydrophobizität dieser Oberflächen mittels ultrakurzer Laserpulse –kürzer als die Zeitskala innerhalb derer Moleküle sich reorientieren– zu schalten bietet uns die einzigartige Möglichkeit, der Reaktion des Wassers auf eine sprungartige Änderung der hydrophoben Oberflächeneigenschaften zu folgen. Unser Ziel ist es auf diese Weise Einblicke in die Dynamik der Be- und Entnetzung schaltbarer Substrate auf molekularer Ebene zu erhalten und mit makroskopischen Benetzungseigenschaften zu korrelieren.Die Struktur des Wassers und die der organischen Oberflächenbeschichtung werden vor, während und nach dem Photoschalten mittels Summenfrequenzspektroskopie (SFG) untersucht. Bei SFG überlappen sich ein infraroter (IR) und ein sichtbarer Laserpuls an der Oberfläche. Ist der IR-puls in Resonanz mit einer Molekülschwingung ist das Signal stark erhöht. Aufgrund seiner Auswahlregeln untersuchen wir mittels SFG-Spektroskopie nur die Grenzflächen ohne Beiträge des Bulk-Wassers. Die Schwingungsfrequenz liefert Informationen über die Stärke Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks, während die Intensität ein Maß für den Grad an Ausrichtung der Wassermoleküle darstellt. Weiterhin können wir Informationen über die Anordnung der Polymere anhand derer C-H-Schwingungen erhalten. Durch die Kombination der SFG-Methode mit einem optischen Puls zur Anstoßung des Übergangs zwischen hydrophober und -philer Oberfläche können wir Informationen zur Dynamik im Sub-Pikosekundenbereich erlangen. Typische Fragen denen wir uns widmen möchten sind:•Worin bestehen die Unterschiede des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks und der Wasserorientierung in der hydrophobischen und -philen Struktur?•Wie schnell schaltet der Photoschalter und wie schnell verändert der Rest des Polymers seine Ordnung und Orientierung?•Wie schnell passt sich das Wasser der neuen Situation an?•Welche Dynamik besitzt die Kontaktlinienverbreiterung?Diese Studie verspricht, beispiellose Einsichten in die Benetzungseigenschaften auf molekularer Ebene zu liefern und neue Wege, nicht nur für ein besseres fundamentales Verständnis, sondern auch für das Design überlegener aktiver Oberflächen, zu eröffnen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug
Österreich
Mitverantwortlich
Professor Dr. Mischa Bonn
