FORSCHUNG — 171 Nanopartikulären Festphasen kommt auf Grund ihrer hohen Oberfläche eine besondere Bedeutung bei chemischen Reaktionen und beim Transport von Elementen zu. Ein Schwerpunkt der Arbeiten der Arbeitsgruppe in den letzten Jahren war die Entwicklung der Anwendung der single particle (sp) oder single cell (sc) ICP-MS. Im Bereich der technischen Anwendung wurden die Arbeiten im SPP 2005 „Opus Fluidum Futurum“ mit dem Ziel einer signifikanten Reduktion des hohen CO2-Footprints bei der Zementherstellung fortgesetzt. Für die initialen Aushärtungsprozesse spielen insbesondere die nanopartikulären Calcium-Silikat-Hydrate (C-S-H) eine entscheidende Rolle. Da diese C-S-H Nanopartikel in wässriger Lösung sehr stark reaktiv sind, wurde eine völlig neue Methode der spICP-MS in ethanolischer Suspension entwickelt, die es ermöglicht, die Größe und den Chemismus von Nanopartikeln auf der Einzelpartikelebene zu bestimmen und damit zu einem vertieften Prozessverständnis der Zementaushärtung zu gelangen. In einer Kooperation mit der Universität in Oviedo (Spanien) wurde die Methode der scICPMS erfolgreich für biologische Systeme angewandt. Streptomyzeten, die aufgrund ihrer Schwermetalltoleranz in der Bioremediation schwermetallbelasteter Flächen eingesetzt werden können, wurden hinsichtlich des Bindungsverhaltens von Cd, Ce und U auf der Einzelzellenebene charakte- (Bio)Kolloid-/Nanopartikelcharakterisierung risiert. Nach einer initialen Sorptionsphase aller drei Elemente an den Sporen zeigte sich ein Einbau von Ce und U in die sich entwickelnden Hyphen, nicht jedoch für Cd. Weitere kollaborative Arbeiten am neuartigen Ln-akkumulierenden Bakterium RH AL1 aus der Gattung Beijerinckiaceae mittels scICP-MS zeigten selektive Aufnahme- und Speichermechanismen, die das Bakterium zu einem attraktiven Ziel für die Entwicklung bioökonomischer Anwendungen macht. [1] Hellmann S, Gil-Diaz T, Böhm M, Merten D, Grangeon S, Warmont F, Unbehau S, Sowoidnich T, Schäfer T (2024) Characterization of nanoparticles in ethanolic suspension using spICP-MS: application for cementitious systems. ACS Omega 9(28), 30294-30307. [2] Hellmann S, García-Cancela P, Alonso-Fernández S, Corte-Rodríguez M, Bettmer J, Manteca A, Merten D, Gil-Díaz T, Schäfer T, MontesBayón M (2024) Single cell ICP-MS to evaluate the interaction behaviour for Cd, Ce and U with Streptomyces coelicolor spores. Chemosphere, 347, 140633. [3] Gorniak, L., Bucka, S.L., Nasr, B., Cao, J., Hellmann, S., Schäfer, T., Westermann, M., Bechwar, J. and Wegner, C.-E. (2024) Changes in growth, lanthanide binding, and gene expression in Pseudomonas alloputida KT2440 in response to light and heavy lanthanides. mSphere 9, e00685-00624. Seit 2023 erforscht die AG aktiv KI- und ML-Anwendungen in der Digitalen Gesteinsphysik, einem Bereich, der bildgebende und rechnergestützte Verfahren zur Analyse von Gesteinseigenschaften auf der Porenskala einsetzt. Unter Verwendung des XRM/µCT (Zeiss XRadia 620 Versa) konzentriert sich die laufende Forschung auf die Verbesserung der Auflösung von µCT-Bildern mithilfe von Deep-Learning-Modellen und die Verwendung von KI und neuronalen Netzen, um Porennetzwerkmodelle (PNM) in verschiedenen Maßstäben zu rekonstruieren. Diese Methoden bieten potenzielle Anwendungen in der H2-Speicherung, Geothermie oder der tiefengeologischer Endlagerung. [4] Sadeghnejad et al. (2023): Minkowski functional evaluation of representative elementary volume of rock microtomography images at multiple resolutions. Advances in Water Resources, 104501. [5] Moslemipour et al. (2024) Image-Based Multi-scale Reconstruction of Unresolved Microporosity in 3D Heterogeneous Rock Digital Twins Using Cross-Correlation Simulation and Watershed Algorithm. Transport in Porous Media 151, 2215-2240. Neue Arbeitsgruppe zu Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellem Lernen (ML) Abb. 3. Strategie der KI-Anwendung für die digitale Gesteinsphysik. Grafik: Dr. Saeid Sadeghnejad Abb. 2. Schema der (single cell) scICP-MS Anwendung Bild: Steffen Hellmann
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