Dynamisches Benetzungsverhalten von adaptiven und responsiven Polyelektrolytsubstraten: ein Multiskalenansatz

• Antragstellerin: Professorin Dr. Regine von Klitzing
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505842923

Für die Adhäsion biologisch relevanter Systeme wie z.B. Zellen oder Proteine ist die Benetzung von Polymersubstraten durch wässrige Lösungen von großem Interesse. Polymersubstrate, die Ladungen oder polare Gruppen enthalten, haben eine starke Tendenz, in Wasser zu quellen. Daher beeinflussen nicht nur elastische, sondern auch adaptive Eigenschaften des Substrats die Benetzungseigenschaften. Das übergeordnete Ziel des vorliegenden Projekts ist das Verständnis der Beziehung zwischen der Adaption/Response von Polyelektrolytsubstraten und deren dynamischen Benetzungseigenschaften. Dazu wird das Quellverhalten und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaftsänderungen von Polyelektrolytsubstraten durch die (teilweise) Aufnahme der Benetzungsflüssigkeit (Wasser oder wässrige Salzlösungen) untersucht. Eine Klasse von untersuchten adaptiven Substraten reagiert auf Temperaturänderungen mit einem Volumenphasenübergang, was die Frage aufwirft, wie eine Temperaturänderung die Benetzungseigenschaften beeinflusst.In diesem Zusammenhang soll das Projekt zu einem besseren Verständnis der Benetzungsphänomene auf nanoskopischer/mesoskopischer Längenskala lateral und vertikal zur Oberfläche nahe der Dreiphasenkontaktlinie (TPCL) beitragen. Für die Untersuchungen auf der Nanoskala werden AFM-Techniken eingesetzt. Um eine Verbindung zu makroskopischen Benetzungsphänomenen herzustellen, werden typische statische und dynamische Benetzungsexperimente durchgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass Oberflächeneffekte wie Oberflächenelastizität, Oberflächenladung und molekulare Umlagerung an der Grenzfläche die Hystereseeffekte auf der Nano-/Mesoskala bestimmen, die die makroskopischen Benetzungsphänomene beeinflussen. Drei Arten von Oberflächenverformungen können auf der Nanoskala auftreten und zum Profil der TPCL beitragen: 1) ein Precursorfilm vor dem Tropfen, der durch den Spaltdruck dominiert wird, 2) ein Rand des gequollenen Substrats, der auf den Transport von Flüssigkeit aus dem Tropfen in das Substrat lateral (und senkrecht) zur Substratoberfläche zurückzuführen ist, und 3) ein Benetzungsgrat, der durch vertikale Komponenten der Oberflächenspannung verursacht wird.Das Projekt zielt darauf ab, die verschiedenen Oberflächeneffekte auf Benetzungsphänomene zu entschlüsseln.Als Polyelektrolytsubstrate werden Polyelektrolyt-Multischichten (PEMs) und Schichten/Multischichten aus adsorbiertem PNIAPM-Mikrogel verwendet. Beide können als Gele betrachtet werden. Beide Arten von Substraten ergänzen sich hinsichtlich ihrer Vorteile und ermöglichen die Kontrolle der Oberflächenladung (Vorzeichen, Dichte), des Dickenbereichs, der mechanischen und rheologischen Eigenschaften, der Hydrophilie und ihrer Reaktion auf die Temperatur. Im Rahmen des SPP sind Kooperationen mit Experimentatoren und Theoretikern geplant, um tiefere Einblicke in den Zusammenhang zwischen Benetzungsphänomenen auf verschiedenen Längenskalen zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2171: Dynamische Benetzung flexibler, adaptiver und schaltbarer Oberflächen