Die Rheologie von EinzeIstrang-DNS-Lösungen bei hohen Scherraten: Ein Modellsystem für Lösungen flexibler neutraler Polymere und Polyelektrolyte

• Antragsteller: Sharadwata Pan, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557249284

DNS-Einzelstränge sind von grundlegender Bedeutung in Physiologie und Genetik. Ihre Funktionalität wird stark durch ihre mechanischen Eigenschaften bestimmt und auch in Bio- und Nanotechnologie intensiv genutzt. In Lösung verhalten sich DNS-Einzelstränge wie flexible Polymere bzw. Polyelektrolyte. Die Charakterisierung dieser Lösungen bei hohen Scherraten ist bedeutsam für das Grundverständnis in der Rheologie wie auch für zahlreiche industrielle Anwendungen. Während kürzlich für Lösungen semiflexibler Polymere und Polyelektrolyte bedeutsame Fortschritte erreicht werden konnten, ist die Lage bei flexiblen Ketten trotz ihrer dringenden Notwendigkeit äußerst dürftig. Das Ziel des Projekts ist es, das rheologische Verhalten von Lösungen von DNS-Einzelsträngen bei hohen Scherraten zu verstehen. DNS-Einzelstränge eignen sich besonders als Modellsystem für flexible lineare Polymere und Polyelektrolyte. Sie sind außerordentlich monodispers und können sowohl als neutrale Polymer- als auch als Polyelektrolytlösungen untersucht werden. Anders als bei synthetischen Polymeren kann ihre Unversehrtheit außerdem nach Belastung durch hohe Scherraten in Kleinstmengen mittels Gelelektrophorese untersucht werden. All diese Vorteile favorisieren DNS-Einzelstränge gegenüber anderen Polymeren. Vorrangig soll die Konzentrationsabhängigkeit der Rheologie von DNS-Einzelsträngen als neutrale Polymer- als auch als Polyelektrolytlösungen sowohl im verdünnten als auch im semiverdünnten Bereich untersucht werden. Drei Parameter stehen im Fokus: die Unendlichviskosität, der Exponent im scherverdünnenden Bereich sowie die Normalspannungsdifferenzen. Darauf aufbauend planen wir, den Übergang zwischen Lösungen flexibler Polyelektrolyte und flexibler neutraler Polymere durch Variation der salzinduzierten Ladungsabschirmung zu untersuchen, sowie den Einfluss der Lösungsmittelqualität auf die kritischen Parameter bei hohen Scherraten. Das erlaubt es, offene Fragen der Rheologie flexibler Polymerketten zu klären wie das konzentrations- und lösungsmittelabhängige Skalenverhalten kritischer Parameter und universelle Scherverdünnung bei hohen Scherraten. Schließlich soll geklärt werden, ob die Einzelstränge während der hohen Scherbelastung unversehrt bleiben. Für die Messungen kann ein in der Gruppe Wierschem (FAU) entwickeltes Dünnschichtrheometer genutzt werden. In gemeinsamen Vorarbeiten haben wir bereits gezeigt, dass mit dem Gerät zuverlässig im stationären Betrieb Scherraten von mehr als 100000/s erreicht werden und konzentrationsabhängiges Fließverhalten bei hohen Scherraten untersucht werden kann. Schließlich haben wir in Voruntersuchungen gezeigt, dass die DNS-Lösungen sogar bei den höchsten Konzentrationen bis zu Scherraten von 30000/s mechanisch stabil bleiben. Mit dem beantragten Projekt soll das Verständnis der DNS-Rheologie im Besonderen und von Lösungen flexibler Polymere und Polyelektrolyte im Allgemeinen bei hohen Scherbelastungen deutlich vorangebracht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen