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Neue Forschungsgruppe Wie fließen Kolloide?

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

In mikrofluidischen Kanälen verhalten sich Flüssigkeiten anders als in großen Röhren, Noch komplexer wird das Verhalten, wenn man das Fließverhalten von Kolloiden in solchen mikrofluidischen Systemen beschreiben will. Eine von der Deutschen Forschungsgesellschaft unterstützte Emmy Noether-Nachwuchsgruppe an der Universität Mainz will nun diese beiden Teildisziplinen zusammen bringen, um die Manipulation und Fabrikation kolloidaler Teilchen weiter zu verbessern.

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Darstellung von Janus-Teilchen in Flüssigkeit
Darstellung von Janus-Teilchen in Flüssigkeit
(Bild: Arash Nikoubashman)

Mainz – Eine neue Mainzer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe um den Physiker Dr. Arash Nikoubashman zielt darauf ab, den Transport und die kontrollierte Anordnung kolloidaler Teilchen grundlegend zu verstehen. Kolloide im Fluss, also winzige Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert, sind allgegenwärtig in Natur und Technik, seien es beispielsweise Proteine und Enzyme in biologischen Systemen oder Tenside in der Prozesskette der Erdölgewinnung. Die Selbstanordnung dieser Teilchen in regelmäßige Gruppen lässt sich vielversprechend nutzen, um Materialien mit nanoskopischen Merkmalen herzustellen. Derartige Stoffe werden beispielsweise als Katalysatoren und optische Bauelemente verwendet. Spontan geformte Strukturen weisen allerdings meist zahlreiche defekte Stellen auf – ein Problem für viele Anwendungen.

Zahlreiche Anwendungsgebiete: von modernen Therapiemethoden bis zur Wasserreinigung

Das Forschungsvorhaben der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe „Kontrollierter Transport und Anordnung von weicher Materie“ ist es, die beiden Themengebiete der Mikrofluidik komplexer Flüssigkeiten, also das Fließverhalten auf engstem Raum, und der Selbstanordnung weicher Materie zusammenzuführen und damit neu zu verstehen sowie zu nutzen. Dieser Ansatz erlaubt eine weitaus präzisere Kontrolle über die Größe und Form der entstehenden Strukturen bei einem minimalen Zusatzaufwand.

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Das Forschungsprojekt leistet einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Nichtgleichgewichtsdynamik in weicher Materie und spielt eine zentrale Rolle bei der zukünftigen Entwicklung von Geräten für die effektive Manipulation und Fabrikation kolloidaler Teilchen. Die Zielsetzungen des Projekts haben auch signifikante Auswirkungen weit über das Hauptforschungsgebiet hinaus. Die Fähigkeit, Kolloide aufgrund ihrer Größe und Verformbarkeit voneinander zu trennen, ist von immenser Bedeutung beispielsweise in der Biotechnologie, da diese Eigenschaften häufig zur Indikation von Krankheiten wie Anämie oder Krebs herangezogen werden können. Weiterhin kann Mikrofluidik in der Wasserreinigung eingesetzt werden, um nano- und mikrometergroße Schmutzstoffe zu filtern.

Statistische Physik und modernste Techniken der Computersimulation

Die Arbeit der Forschungsgruppe um Dr. Arash Nikoubashman basiert auf einer Verflechtung aus statistischer Physik und modernsten Techniken der Computersimulation. Die während der Projektlaufzeit entwickelten Methoden haben hohe Relevanz für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen und werden öffentlich zugänglich gemacht. Das Projekt selbst ist theoriebasiert, wird allerdings in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren durchgeführt, um die neu entwickelten Theorien zu verifizieren und die Entwicklung innovativer Geräte und Materialien zu unterstützen. Im Rahmen dieses Projekts werden bestehende Kollaborationen zwischen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) als Gastgeberinstitution und weiteren führenden Einrichtungen in Deutschland, Europa und den USA ausgebaut und es werden neue geschaffen.

Die Emmy Noether-Nachwuchsgruppe, die der Arbeitsgruppe Physik der kondensierten Materie (KOMET) am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz angegliedert ist, wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in den kommenden Jahren finanziell gefördert. Mit dem Emmy Noether-Programm möchte die DFG jungen Forschern den Weg zur wissenschaftlichen Selbstständigkeit eröffnen, indem die Wissenschaftler eine Nachwuchsgruppe leiten und sich damit die Befähigung zum Hochschullehrer aneignen. Die Gruppe wird in der Regel über fünf Jahre gefördert. Dr. Arash Nikoubashman hat in den letzten drei Jahren an der Princeton University in den USA geforscht und ist seit dem 1. Oktober 2015 an der JGU als Nachwuchsgruppenleiter tätig.

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