TP1 Engineering von Festkörperporen

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Teilprojekt 1

Engineering von Festkörperporen

Im Teilprojekt 1 werden Verfahren erarbeitet, mit denen man Nanoporen in Polymerfilme in einer Kombination aus Ionenstrahltechnik und chemischem Ätzen einbringt. Diese synthetischen Nanoporen sollen unterschiedlichen organisch-chemischen Modifikationen unterworfen werden, so dass sie bereits sensorische Eigenschaften aufweisen, insbesondere aber als Plattform für biologische Poren mit hoher Selektivität dienen können. Die so gewonnenen Membranen sollen durch Mikro-Nano-Integration (MNI)-Technik in ein Lab-on-Chip Device integriert werden.

Teilprojekt 1.1

Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Festkörperporen mittels Schwerionentechnologie

Projektleiterin: Christina Trautmann

REM Aufnahme von geaetzten Ionenspuren in verschiedenen Materialien
Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen von geätzten Ionenspuren in verschiedenen Materialien

Ein Teil des Projektes beruht auf der Fabrikation und Modifikation von Nanoporen in Polymerfilmen. Die AG Trautmann (GSI / Materialwissenschaft) verfügt dazu über langjährige Erfahrung zur Herstellung von Nanostrukturen mittels der Ionenspur-Nanotechnologie. Die synthetischen Nanoporen werden hergestellt, indem Ionen eines schweren Elements durch eine Polymerfolie hindurch geschossen werden. Entlang der geradlinigen Ionenspur entstehen Strahlenschäden, die durch einen chemischen Ätzprozess entfernt werden, so dass man Nanoporen erhält. Dafür bedarf es eines Hochenergie-Ionenbeschleunigers für schwere Ionen wie an der GSI in Form des UNILAC vorhanden. Die Besonderheit der dortigen Expertise besteht darin, dass Folien so bestrahlt werden, dass sie nur jeweils eine einzelne Pore enthalten. Einzelporen haben den immensen Vorteil, dass alle durchgeführten Modifikationen und Messungen sich nur auf diese eine Nanopore beziehen und damit keine Variabilität durch eine Vielzahl von Nanoporen entsteht. In der Polymer-basierten Nanoporenforschung sichert uns dieses Alleinstellungsmerkmal bestmögliche Arbeitsbedingungen und damit auch eine Weltführer-Position auf diesem Gebiet.

Teilprojekt 1.2

Modifizierte Poren in Polymerfolien für Sensorik und als Plattform für biologische Poren

Projektleiter: Wolfgang Ensinger

Funktionalisierte konische Nanopore und elektrochemischer Messaufbau mit resultierender Strom/Spannungskurve
Funktionalisierte konische Nanopore und elektrochemischer Messaufbau mit resultierender Strom/Spannungskurve

Die AG Ensinger (Materialwissenschaft) arbeitet auf dem Gebiet der künstlichen Nanoporen auf Polymerbasis. Folien aus gängigen Polymeren wie Polycarbonat (PC) und Polyethylenterephthalat (PET), welche in großem Maßstab, z. B. in Getränkeflaschen, technologisch eingesetzt werden und damit günstig verfügbar sind, werden durch Ionenbestrahlung und chemische Ätzung in Kooperation mit der AG Trautmann mit Nanoporen versehen. Hierbei werden sowohl zylindrische als auch konische Nanoporen in die Folien eingebracht. Diese verfügen an den Nanoporen-Oberflächen über chemisch reaktive Gruppen, die durch geeignete Kopplungschemie mit funktionellen Gruppen oder mit einer Funktional-Polymer-Schicht modifiziert werden. Die modifizierten synthetischen Nanoporen fungieren als empfindliche Analysatorelemente für passende Analyt-Moleküle.

Teilprojekt 1.3

Oberflächenfunktionalisierung von Polymermembranen mit schaltbaren Polymerfilmen zur Modulation des Ionentransports

Projektleiter: Markus Biesalski

Die AG Biesalski (Chemie) verfügt über Synthesemethoden zum Abscheiden und Imprägnieren funktioneller Polymere mit stimuli-gesteuerter Funktionalität. Dies lässt sich mit den Polymer-Nanoporen der AGs Trautmann und Ensinger koppeln. Die dünnen Polymerfolien, welche mit nanoskaligen Poren versehen sind, werden mit Hilfe von oberflächengebundenen Polymerfilmen modifiziert. Letzteres soll den Transport durch die Poren über maßgeschneiderte Eigenschaften der Porenwände erlauben und langfristig durch den Einsatz von „schaltbaren“ Polymerfilmen (z. B. Schaltung durch Temperatur, pH-Wert, Elektrolytgehalt der Lösung oder Licht) modulierbar gestalten.

Nachwuchsgruppen-Projekt 1.4

Untersuchung des pH-Werts im räumlichen Confinement

Projektleiterin: Annette Andrieu-Brunsen

"pH" im Confinement
„pH“ im Confinement

Die Nachwuchsgruppe von Annette Andrieu-Brunsen (Chemie) beschäftigt sich mit der Polymerfunktionalisierung im räumlichen Confinement von Poren mit dem Ziel molekularen Transport in Poren zu steuern. In diesem Kontext ist der „pH“ Wert im räumlichen Confinement ein bestimmender Parameter zur Kontrolle der Porenzugänglichkeit. In dem hier verfolgten Projekt entwickeln wir Strategien zur Untersuchung des „pH“ Wertes im räumlichen Confinement von Poren auf Basis von pH-sensitiven Farbstoffen, Fluoreszenzspektroskopie und Einzelmolekülspektroskopie.

Nachwuchsgruppen-Projekt 1.5

Redox-schaltbare Nanoporen

Projektleiter: Markus Gallei

Redox mediated control
Redox-Responsive Nanopore

In der Nachwuchsgruppe von Markus Gallei (Chemie) werden redox-schaltbare Oligomere und Polymere auf Basis von metallorganischen Verbindungen in die Nanoporen eingebracht. Diese sogenannten Stimulus-responsiven Einheiten werden über milde chemische Oxidations- und Reduktionsmittel oder direkt über den elektrischen Strom hinsichtlich ihrer Konformation und ihrer Polarität geschaltet, um die Eigenschaften der funktionalisierten Nanoporen gezielt und reversibel zu steuern.