TP3 Transport durch poröse Materialien

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Teilprojekt 3

Transport durch poröse Materialien

Im Teilprojekt 3 werden mit hochauflösenden NMR-Methoden und theoretischen Ansätzen die grundlegenden physikochemischen Gesetzmäßigkeiten für den Ionentransport in porösen Materialien und die Interaktion von Ionen mit Materialgrenzflächen ermittelt. Die Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt werden in den Bereichen 1 und 2 bei dem Design von Poren Verwendung finden.

Teilprojekt 3.1

Festkörper-NMR an Wasser und Natrium in Ionenporen

Projektleiter: Gerd Buntkowsky

Darstellung einer Peptid-funktionalisierten Silicapore
Darstellung einer Peptid-funktionalisierten Silicapore

Information für die Konstruktion von Poren ergibt sich aus experimentellen Daten über Ionentransport in porösen Systemen auf atomarer Ebene. Die AG Buntkowsky (Chemie) untersucht das Verhalten kleiner fluider Probenmoleküle im Confinement komplexer mesoporöser Systeme mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie. Die Arbeiten zeigen, dass eine Charakterisierung der fluiden Eigenschaften mittels Festkörper-NMR möglich ist. Es wird versucht das dynamische Verhalten von Wasser und Natriumionen in den Poren aufklären. Es soll ebenso versucht werden, durch Kombination von Festkörper-NMR und DNP-Hyperpolarisationsverfahren das Poreninnere der Ionenkanäle aus Teilprojekt 2 zu detektieren.

Teilprojekt 3.2

Teilchentransport in oberflächenmodifizierten Festkörperporen

Projektleiter: Michael Vogel

Der Teilchentransport in Nanoporen ist in der Natur und Technologie gleichermaßen von enormer Bedeutung. In der Regel unterscheidet sich die Beweglichkeit eines Teilchens (Molekül oder Ion) im Confinement allerdings substanziell von der Mobilität im Bulk. Hierfür sind insbesondere die Wechselwirkungen mit den Porenwänden verantwortlich, die eine starke Verlangsamung der Teilchendynamik bewirken können. Aufgrund dieser Gast-Wirt- Interaktionen existiert im Confinement in der Regel eine Ortsabhängigkeit der Teilchenbeweglichkeit mit einer reduzierten Beweglichkeit in der Nähe der Porenwände und einem bulkähnlichen Verhalten in der Porenmitte. Der Teilchentransport in Nanoporen hängt somit sowohl von der Porengeometrie (Größe/Form) als auch von den Wechselwirkungen an den inneren Oberflächen ab, d.h. von der Oberflächenbeschaffenheit. Die AG Vogel (Physik) untersucht den Einfluss des Porendurchmessers, der Porenform (zylindrisch/ konisch) und der Porenoberfläche auf die Beweglichkeit von Ionen und Wasser im Confinement. Diese Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Herstellung biomimetischer Festkörperporen. Für die Untersuchungen kommen verschiedene NMR-Methoden zum Einsatz. Insbesondere wird ausgenutzt, dass NMR-Experimente ein Studium sowohl mikroskopischer Dynamik als auch mesoskopischer Diffusion ermöglichen, so dass sich die Effekte der Ortsabhängigkeit der Teilchenbeweglichkeit, insbesondere der Verlangsamung an den Porenwänden, auf den langreichweitigen Teilchentransport erforschen lassen. Diese Untersuchungen sind auf ideale Weise komplementär zu den Arbeiten in anderen Teilprojekten, in denen peptidfunktionalisierte Festkörperporen hergestellt und hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften charakterisiert werden.

Teilprojekt 3.3

Molekulare Simulation des Ionentransports in funktionalisierten Nanoporen

Projektleiter: Nico van der Vegt

Information und Inspiration zum Design von Poren ergeben sich ebenfalls aus theoretischen Ansätzen. Die AG van der Vegt (Chemie) beschäftigt sich mit der statistischen Thermodynamik und molekularen Simulation von Solvatationsprozessen und ionen-spezifischen Effekten in weicher Materie, um die Wechselwirkung zwischen Ionen, Proteinen und synthetischen Makromolekülen in wässriger Lösung zu verstehen. Kombiniert mit methodischen Weiterentwicklungen im Bereich der Multiskalen-Modellierung weicher Materie bietet sich nun die Möglichkeit ionenselektive, schaltbare Poren auf Basis funktionalisierter Porenoberflächen theoretisch gezielt vorherzusagen.