Quantitative Charakterisierung der Wechselwirkungen in stimuli-responsiven Emulsionen mittels FluidFM-Colloidal Probe

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Beschreibung

Stimuli-responsive Pickering-Emulsionen vereinen eine langfristige Einkapselung mit einer extern gesteuerten Freisetzung und sind daher attraktiv für Anwendungen in der gezielten Medikamentenfreisetzung und in intelligenten katalytischen Systemen. Trotz intensiver Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten sind die Destabilisierungsmechanismen noch unzureichend verstanden. Dies liegt vor allem an der Schwierigkeit, die Wechselwirkungen auf der Ebene der stabilisierenden Partikel experimentell zu untersuchen. Ein grundlegendes Verständnis dieser Destabilisierungsprozesse ist jedoch essenziell für das Design der nächsten Generation stimuli-responsiver Emulsionen. Um diese Wissenslücke zu schließen, werden wir die kürzlich entwickelte FluidFM (Fluidic Force Microscopy) Colloidal Probe Methode verwenden. Sie ermöglicht die quantitative Erfassung der Wechselwirkungen zwischen den weichen stabilisierenden Partikeln und flüssigen Grenzflächen. Mit diesem Ansatz lassen sich Wechselwirkungen über mehrere Längenskalen hinweg untersuchen – von einzelnen Partikeln über Grenzflächen bis hin zu gesamten Tropfen. Dies liefert entscheidende Erkenntnisse über Destabilisierungsmechanismen und ermöglicht eine gezielte Entwicklung stabilerer und zuverlässigerer stimuli-responsiver Emulsionen. Dieses Projekt wird systematisch drei zentrale Aspekte untersuchen: (i) die Adsorptionspfade weicher Kern-Schale-Mikrogele an flüssige Grenzflächen, (ii) die Quantifizierung der Wechselwirkungskräfte an diesen Grenzflächen unter externen Stimuli wie Temperatur und pH-Wert und (iii) die direkte Messung der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Emulsionstropfen unter verschiedenen Bedingungen. Durch die Integration dieser Erkenntnisse wollen wir ein mechanistisches Modell für die präzise Kontrolle des Emulsionsverhaltens entwickeln. Im Fokus stehen Emulsionen, die durch temperatur- und pH-responsive Mikrogele stabilisiert werden. Zunächst werden wir FluidFM-Colloidal Probe als zentrale Methodik in meiner neu gegründeten Nachwuchsgruppe etablieren (WP1). Zeitgleich werden Kern-Schale-Mikrogele mit anorganischem Silica-Kern und einer weichen, auf Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) basierenden Schale mit variabler Vernetzungsdichte synthetisiert (WP2). Anschließend untersuchen wir mittels FluidFM-Colloidal Probe deren Adsorptions- und Desorptionsverhalten an flüssigen Grenzflächen (WP3) sowie ihre Wechselwirkungen mit Mikrogel bedeckten Grenzflächen (WP4). Schließlich werden Emulsionströpfchen an die FluidFM-Kantilever angebracht, um die Wechselwirkungen zwischen Mikrogel stabilisierten Tröpfchen beim Annähern direkt zu messen (WP5). Durch die systematische Quantifizierung dieser Wechselwirkungen wird diese Studie eine detaillierte Datenbank für temperatur- und pH-responsive Emulsionen erstellen. Die Ergebnisse werden grundlegende Stabilitäts- und Destabilisierungsmechanismen von Emulsionen aufklären und die Entwicklung robusterer stimuli-responsiver Materialien unterstützen.