Funktionale Terpolymer Mikropartikel durch Lösungsmittelverdampfung in eingeschränkter Geometrie: Ein koordinierter Ansatz aus Experiment und Theorie

• Antragsteller: Professor Dr. André Gröschel; Professor Dr. Arash Nikoubashman
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445740352

Die Selbstassemblierung von Blockcopolymeren (BCP) ist eines der vielseitigsten Verfahren zur Herstellung funktionaler Materialien und findet zunehmend Anwendung in den Materialwissenschaften, der Nanomedizin und der Nanotechnologie. In den letzten Jahrzehnten wurden BCP intensiv zur Strukturbildung in Bulk, Dünnschichten, und selektiven Lösungsmitteln untersucht. Im Gegensatz dazu, ist die Herstellung von Mikropartikeln mit hochdefinierter innerer Ordnung durch Selbstassemblierung von BCP weit weniger verstanden.BCP Mikropartikel stellen eine neuartige Klasse von Kolloiden mit zusätzlicher Funktionalität dar, da sie - im Vergleich zu klassischen homogenen Polymer-Kolloiden - eine innere Struktur mit anisotropen Eigenschaften aufweisen. Diese könnten für eine Reihe etablierter Anwendungen vorteilhaft sein, aber auch komplett neue Felder erschließen. Eine vielversprechende, bisher jedoch vergleichsweise wenig untersuchte Route zur Bildung von BCP-Mikropartikeln, ist deren Selbstassemblierung in Emulsionströpfchen, d.h. in eingeschränkter Geometrie (confined space). Die Skalierbarkeit dieser Herstellungsmethode könnte es erlauben eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung und technologischen Anwendungen zu schlagen. Die Forschung hat sich hier bisher nur auf wenige, meist kommerziell erhältliche AB Diblockcopolymere beschränkt; das Potential ist jedoch weitaus größer.In diesem Projekt gehen wir einen wichtigen Schritt weiter und untersuchen das Mikrophasen-Verhalten gezielt synthetisierter ABC Triblock Terpolymere in trocknenden Emulsionströpfchen mit dem Ziel, funktionale Terpolymer Mikropartikel (TMP) zu realisieren. In ersten Arbeiten und gemeinsamen Vorarbeiten konnten wir bereits zeigen, dass TMP nicht nur komplexere Strukturen aufweisen, sondern auch überraschende Partikel-Formen entwickeln (z.B. hemisphärische Mikropartikel). Das teilweise unvorhersehbare Verhalten von Terpolymeren gepaart mit der grundlegenden Wissenslücke über Nicht-Gleichgewichtszustände in trocknenden Emulsionströpfchen fordern ein besseres Verständnis solch komplexer Systeme. Wir diese Wissenslücke mithilfe einer koordinierten Herangehensweise aus Experimenten und Simulationen zu schließen, und dabei zum generellen Verständnis von BCP in eingeschränkter Geometrie beizutragen. Wir analysieren systematisch die Auswirkung der wichtigsten Herstellungsparameter auf Größenverteilung, Form, und innerer Struktur der resultierenden TMP, um Randbedingungen mit bestehenden und neu entwickelten Modellierungsstrategien rational zu erklären. Der Transfer von Terpolymer-Mikrophasen in entsprechende Mikropartikel erlaubt es uns, das erste ternäre Mikrophasendiagramm und eine umfangreiche Bibliothek an TMP zu generieren. Durch geeignete Chemie der Polymere ergibt sich eine Reihe von Anwendungen, z.B. in der Herstellung oberflächenstrukturierter (auch Janus) Nanostrukturen, der Photonik, der Energiekonversion, oder Aufnahme und gezielter Abgabe organischer Moleküle und Wirkstoffe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen