NSF-DFG MISSION: In situ nichtlineare optische Spektroskopie an Festkörper/Flüssigkeitsgrenzflächen: Steuerung der Benetzbarkeit der Oberfläche mit Licht- und elektrischen Feldgradienten.

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Braunschweig; Professor Dr. Bart Jan Ravoo
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542225359

Die Fähigkeit Moleküle und funktionale Gruppen und sowie den Ladungszustand von Ober- und Grenzflächen gezielt zu kontrollieren, ermöglicht es bestimmte Grenzflächeneigenschaften mithilfe externer Reize wie Licht oder mit elektrischen Feldern dynamisch ein- oder auszuschalten. Als Beispiel sei die Benetzung einer Spiegeloberfläche unter geringer im Vergleich zu hoher relativer Luftfeuchtigkeit genannt: Wenn der Spiegel beschlägt, ändert sich seine Reflexionsfähigkeit drastisch, und wenn er sich wieder klärt, kehrt er in den Ausgangszustand zurück. Tatsächlich ist die Benetzung fester Oberflächen durch Flüssigkeiten aus dem Alltag bekannt und überraschend einfach zu beobachten. Doch die Veränderung von Oberflächeneigenschaften im Allgemeinen mit räumlich und zeitlich gerichteten externen Reizen (Licht, angelegtes Elektrodenpotential) auf kontrollierte und reversible Weise darzustellen, ist eine enorme Herausforderung. In diesem Projekt soll die Herstellung und die Charakterisierung schaltbarer Grenzflächen verfolgt werden, indem die "Ein"- und "Aus"-Zustände eines molekularen Schalters sowohl unter operando Bedingungen als auch in Abhängigkeit der folgenden grundlegenden molekularen Eigenschaften quantifiziert werden: a) Verteilung und Ausrichtung von funktionalen molekularen Gruppen an Grenzflächen; b) Schaltkinetik und Mechanismus (d.h. kollektiv oder defektgesteuert?!); c) Oberflächenpotential sowie vorhandene elektrische Felder an Grenzflächen d) Stärke des Wasserstoffbrückennetzwerks und der molekularen Struktur von Wasser an den photoschaltbaren Grenzflächen. Mithilfe der operando nichtlinearen optischen Spektroskopie ist geplant, diese fehlenden Informationen auf molekularer Ebene als Funktion der folgenden Stimuli zu erhalten: a) Lichtintensität und Wellenlänge; b) angelegtes Elektrodenpotenzial; c) Ionenkonzentration und relative Luftfeuchtigkeit, während die folgenden strukturellen und molekularen Eigenschaften der schaltbaren Nanoschichten angepasst werden, a) Oberflächenbelegung sowie Nano- und Mikrostrukturierung selbstorganisierter Monolagen, b) molekulare Identität der terminalen Gruppen. Die Ergebnisse dieses Projektes können dabei helfen, einen signifikanten Fortschritt in Richtung eines grundlegenden Verständnisses dieser faszinierenden Grenzflächensysteme zu erreichen. Die Ergebnisse aus der vorgeschlagenen Zusammenarbeit werden 1.) das Verständnis der Oberflächenbenetzung über eine reine makroskopische Beschreibungen wie den Kontaktwinkel hinaus verbessern, 2.) eine bessere Kontrolle der Benetzbarkeit schaltbarer Oberflächen ermöglichen und 3.) allgemein wichtige molekulare Einblicke liefern, mit deren Hilfe die Funktion von photoschaltbaren Grenzflächen verbessert werden kann, um z.B. die Bewegung von Flüssigkeiten lokal auf Oberflächen für Anwendungen in der Mikrofluidik oder in Mikroreaktoren gezielter zu kontrollieren bzw. mit raumzeitlicher Kontrolle ein- oder auszuschalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Franz M. Geiger