NSF-DFG Confine: Modulierung eingeschlossener Flüssigkeiten für den Transport durch Selbstorganisation und Informationsübertragung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Eva Blasco, Ph.D.; Professor Dr. Andreas Walther
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509281801

Wir werden "aktive", sich selbst organisierende fluidische Systeme schaffen, die biomimetische Energietransduktion betreiben und Energie aus Reaktionen in mechanische Kräfte umwandeln, die eine spontane Bewegung der eingeschlossenen Flüssigkeit auslösen. Um dieses reichhaltige dynamische Verhalten zu realisieren, werden wir Enzyme an 3D-gedruckten Patch-Arrays in flüssigkeitsgefüllten Mikrokammern verankern. Geeignete Reaktanten aktivieren die katalytischen Reaktionen, die die chemische Energie freisetzen, um den Flüssigkeitsstrom zu "pumpen" und zu "formen". Wir werden auch vorgelagerte signalverarbeitende Kaskade einführen, um Enzymmuster zu strukturieren, Abstände zwischen den Patches durch Patch-selektives Wachstum modulieren, und mobile Mikroträger einführen, die selektiv Chemikalien freisetzen. Auf diese Weise können wir die chemisch-mechanischen Wechselwirkungen weiter orchestrieren und die räumlich-zeitlichen Merkmale des Flüssigkeitsstroms kontrollieren. Die spontane Bewegung und die Signalübertragung verleihen diesen fluidischen Plattformen praktikable Mechanismen für lebensähnliche Funktionen in Materialsystemen. WP1 behandelt den 3D-Multimaterial-Mikrodruck zur Herstellung, WP2 zielt auf aktive Pumpmechanismen durch Enzyme ab und WP3 implementiert einen überlagerten selbstorganisierenden Signalbemusterungsprozess an den Pfostenarrays durch DNA-Strangverdrängungsreaktionsnetzwerk. Unser Ansatz nutzt die reichhaltige Dynamik in flüssigkeitsgefüllten Kammern, die katalysatorbeschichtete Patches, Pfosten und chemisch induzierte Bewegung und Selbstorganisation ermöglichen. Durch die kombinierten Studien werden wir die grundlegenden Auswirkungen der Chemie auf molekularer Ebene auf die mikroskalige Strömung von eingeschlossenen Flüssigkeiten und umgekehrt die Auswirkungen der mikroskopischen Strömung auf die chemische Kinetik in Mikrokammern aufzeigen. Nur wenige Gruppen sind in der Lage, die Auswirkungen der chemisch-mechanischen Transduktion in Flüssigkeiten in Kombination mit chemisch getriebener Selbstorganisation zu untersuchen. Unsere Zusammenarbeit erlaubt es, Systeme in den gewünschten Skalen herzustellen (Blasco, Heidelberg), die Systeme chemisch für systematische Studien anzupassen, (Sen, Penn State; Walther, Mainz) und Vorhersagemodelle zu entwickeln (Balazs, Pittsburgh). Jede Gruppe benötigt synergetische Interaktionen mit den anderen, um dramatische Fortschritte in der aktiven Mikrofluidik und der theoretischen Modellierung zu erzielen. Für die Zukunft ist die (Selbst-)Regulierung von Fluss und Transports als Reaktion auf spezifische Signale entscheidend für die Realisierung der nächsten Generation intelligenter Devices im Mikro- und Nanomaßstab (z.B. effiziente, autonome chemischen Synthese, Sensorik und Freisetzung). Da Strömung und Rückkopplung Nichtgleichgewichtsprozesse sind, werden diese Studien auch neue Plattformen für die Untersuchung der Beziehungen zwischen Struktur, Dynamik und Nichtgleichgewichtsverhalten bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Anna Christina Balazs, Ph.D.; Professor Dr. Ayusman Sen