Forschung am Einfluss des Einschließens auf das Verhalten von weicher Materie
Der Einschluss von Materie in kleinen Räumen ist in lebendigen Organismen von zentraler Bedeutung, da innerhalb der Organellen, die von Membranen umgeben sind, oder an diesen Membranen wichtige Prozesse stattfinden. Der Raum, der Teilchen zur Verfügung steht, ist ebenfalls begrenzt, wenn diese adsorbiert werden oder in brüchigem Felsgestein oder Schwämmen eingeschlossen sind, wo die schlitzförmigen, zylindrischen oder netzwerkartigen Poren eine Größe vom Nano- bis Mikrometermaßstab aufweisen. „Viruskapside stellen ein weiteres Beispiel für einen Einschluss im Maßstab von weniger als 100 Nanometer dar. Proteine organisieren sich selbst, um ein Kapsid mit einem DNS- oder RNS-Strang zu bilden. In der Werkstoffkunde werden organisierte Teilchen in einem eingeschlossenen Raum zur Herstellung neuer Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften (Metamaterialien) genutzt“, bemerkt Projektkoordinatorin Alina Ciach. Inspiriert von der zentralen Bedeutung des Einschließens in der Natur, untersuchte das EU-finanzierte Projekt CONIN wie verschiedene Arten des Einschließens spontan auftretende Muster in verschiedenen Längenskalen vergrößern oder unterdrücken, und wie dies in modernen Technologien genutzt werden könnte. Die Forschung wurde über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert.
Eindrucksvolle Phänomene aufgrund des Einschließens selbstorganisierter Teilchen
Die Adsorption verändert die Oberflächeneigenschaften. „Die Adsorption geladener Teilchen, die sich gegenseitig auf kurze Entfernung durch Lösemittel-vermittelte Kräfte anziehen, lässt sich aufgrund ihrer weitreichenden elektrostatischen Abstoßung unterdrücken. Infolgedessen bilden Cluster von adsorbierten Teilchen, die von leeren Regionen getrennt wurden, eine „Spitze“ mit einem sechseckigen oder gestreiften Muster. Die Hinzugabe einer zweiten Art von Teilchen mit passend eingestellter Wechselwirkung führt zur Bildung einer dichten, gemusterten Teilchenschicht, welche die Oberfläche wie eine dicke zweifarbige Decke umhüllt“, erklärt Ciach. Das Projektteam ermittelte, dass die Chemie, Größe und Form einschließender Wände die spontan gebildeten Muster von Teilchen, Clustern und Ionen zerstören, vergrößern oder verändern bzw. komplett neue Muster induzieren kann. Im Rahmen einer passenden Skalierung der Cluster-Größe in verschiedenen Systemen (globuläre Proteine, Nanopartikel oder Kolloidpartikel) wurden die gleichen Muster beobachtet. Dementsprechend dienen die Ergebnisse bei einem Modell als Ausgangsbasis für die Prognose von entsprechenden Eigenschaften anderer Systeme. Überraschende Einschlussphänomene treten vor allem dann auf, wen sich die Teilchen in zylindrischen Clustern (Säulen) selbst organisieren. „Diese Säulen sind flexibel, sie verhalten sich wie elastische Seile (oder gekochte Spaghetti), die je nach Form und Größe des einschließenden Behältnisses angeordnet sind. Innerhalb von Zylindern bilden unsere ,Spaghetti‘ Spiralen“, bemerkt Ciach.
Wie eingeschlossene Ionen die Speicherkapazität erweitern könnten
Die Bewegung eingeschlossener ionischer Flüssigkeiten und Elektrolyte bestimmt die Leistungsfähigkeit von Energiespeichergeräten. Durchlässige Elektroden bieten sich für eine Verwendung bei Kondensatoren an, da sich die Kapazität mit der größeren Oberfläche erhöht. „Doch Koionen in sehr dünnen Poren werden durch die adsorbierten Koionen blockiert, sodass sich die Ladungsdynamik erheblich verlangsamt. Wir untersuchten mithilfe von Computersimulationen, wie die Ladungsdynamik durch eine sinnvolle Auswahl des Ladungsprotokolls beschleunigt werden könnte. Wir wollten zudem durch Mischen der ionischen Flüssigkeit mit einem neutralen Lösemittel und durch Auswahl passender ionophiler/ionophober Elektroden die in Mesoporen gespeicherte Energie und Ladung erhöhen“, sagt Ciach. In schlitzförmigen Kondensatoren mit ionophilen Wänden findet der Übergang von der Ionisierung zur Entionisierung statt, wenn die Spannung oder Temperatur durch Sprünge in der gespeicherten Energie begleitet wird. Diese Variationen lassen sich bei Anwendungen für die Umwandlung von Wärme in Strom nutzen. Das Team entdeckte zudem eine Korrelation zwischen der Fähigkeit zur Energiespeicherung und der Ionenanordnung innerhalb einer ultraschmalen Pore. Es wurde bewiesen, dass geordnete ionische Strukturen den Ladungsvorgang auf eine höhere Spannung ändern, wodurch die Energiedichte steigt. Die erwähnten Projektergebnisse sind lediglich ein kleiner Teil der Errungenschaften von CONIN. Alle Ergebnisse wurden in zahlreichen wissenschaftlich begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht.
Schlüsselbegriffe
CONIN, Einschließen, Energiespeicherung, Musterbildung, Adsorption, ionische Flüssigkeit, selbstorganisierte Teilchen
