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Die Selbstorganisation weicher Materie im Detail verstehen

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Deutsche Forschungsgemeinschaft stimmt Einrichtung eines neuen Graduiertenkollegs in der Physik und Chemie zu / Kooperation von JGU, TU Darmstadt und Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Beispiel für die Synthese eines "Suprapartikels" aus vielen kleinen u großen Teilchen. Der Trocknungsprozess wird dabei so gesteuert, dass sich eine Grenzfläche bildet mit den großen Teilchen im Kern.

Abb./©: Midya Jiarul, JGU

Wandfarbe, Zahnpasta, jegliche Art von Plastik – so unterschiedlich die Produkte sind, sie gehören alle zur Klasse der "weichen Materie". Natürliche oder synthetisch hergestellte weiche Materialien sind allgegenwärtig und wir haben tagtäglich damit zu tun.

Aber auch neue Entwicklungen in der Medizintechnik, der Energiespeicherung und Informationstechnologie basieren auf weicher Materie mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die durch komplexe, oft hierarchische, nanoskalige Strukturen gekennzeichnet sind.

Diese Strukturen können genutzt werden, um ganz spezifische Materialeigenschaften zu erzielen. Ein neues Graduiertenkolleg in der Physik und Chemie wird erforschen, welche Rolle Grenzflächen für die Herstellung und für die endgültigen Eigenschaften dieser Materialien spielen.

"Unser Ziel ist es, den Selbstorganisationsprozess in Gegenwart von Grenzflächen besser zu verstehen, um solche Prozesse später gezielt steuern zu können", erklärt Prof. Dr. Thomas Speck, der Sprecher des neuen Graduiertenkollegs an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU).

Neben der JGU als Sprecherhochschule sind das Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz (MPI-P) und die TU Darmstadt beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das Graduiertenkolleg GRK 2516 "Kontrolle über die Strukturbildung von weicher Materie an und mittels Grenzflächen" in den kommenden 4,5 Jahren mit rund 3 Millionen Euro. Start ist Anfang Juli 2020.

"Ich freue mich, dass die Johannes Gutenberg-Universität Mainz durch die hohe Qualität ihres Antrags bei der DFG überzeugt hat und gratuliere allen, die an diesem Erfolg beteiligt sind, herzlich. Mit der Einrichtung des Graduiertenkollegs werden sowohl innovative Forschungsansätze auf dem Gebiet der 'weichen Materie' verfolgt als auch der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert. Indem das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und die Technische Universität Darmstadt als strategische Kooperationspartner einbezogen werden, erhalten die Nachwuchsforscherinnen und -forscher die besten Bedingungen im Rhein-Main-Raum. Dies wird den Wissenschaftsstandort Mainz weiter stärken", so Wissenschaftsminister Prof. Dr. Konrad Wolf.

Grenzflächen werden routinemäßig genutzt, um Prozesse in chemischen oder physikalischen Anwendungen weicher Materie zu steuern und zu verstärken. "Es ist daher wichtig, die Funktion und das Reaktionsvermögen von Grenzflächen genau zuzuschneiden", so Prof. Dr. Thomas Speck.

Indem man die Grenzfläche vorgibt, kann zum Beispiel die Verknüpfung von Molekülen beeinflusst werden, das heißt die Selbstorganisation folgt dann einem bestimmten Plan. Dadurch kann weiche Materie gezielt mit bestimmten mechanischen, optischen oder elektronischen Eigenschaften ausgestattet werden.

So reagieren etwa smarte Gele schon auf kleinste Temperaturänderungen mit einer starken Volumenänderung. Wie diese Steuerung beim Herstellungsprozess genau funktioniert, ist aber kaum bekannt. "Das Graduiertenkolleg wird daher Grundlagenforschung betreiben, um ein besseres Verständnis der Abläufe zu erlangen", führt Speck aus, der auch dem im Rahmen der Forschungsinitiative Rheinland-Pfalz geförderten Mainz Institute of Multiscale Modeling (M³ODEL) als Sprecher des Profilbereichs vorsteht.

Ausbildungskonzept sieht konsequente Vernetzung von Theorie und Experiment vor

Ein besonderes Augenmerk haben die Physiker und Chemiker der Universitäten in Mainz und Darmstadt und am MPI-P auf das Ausbildungskonzept gelegt: Für neun Doktoranden und Doktorandinnen sind vier Projektleiter aus der Theorie und vier Projektleiter aus dem experimentellen Bereich zuständig, sodass eine konsequente Integration von theoretischer und experimenteller Arbeit erfolgen kann.

Die beiden Universitäten und das Max-Planck-Institut für Polymerforschung bauen damit auf ihrer langjährigen Tradition bei der Erforschung weicher Materie auf. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Technische Universität Darmstadt kooperieren darüber hinaus in der Allianz der Rhein-Main-Universitäten (RMU), an der außerdem die Goethe-Universität Frankfurt beteiligt ist.

Weiterführender Link:
https://model.uni-mainz.de/ - Mainz Institute of Multiscale Modeling (M³ODEL)

Lesen Sie mehr:
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/5178_DEU_HTML.php – Pressemitteilung "DFG genehmigt Verlängerung des Sonderforschungsbereichs/Transregio zur weichen Materie" (24.05.2018)
https://www.uni-mainz.de/presse/72894.php – Pressemitteilung "Neue Emmy Noether-Nachwuchsgruppe forscht zum Verständnis der Dynamik und Selbstanordnung kolloidaler Teilchen" (14.10.2015)
https://www.uni-mainz.de/presse/60809.php – Pressemitteilung "Neuer Sonderforschungsbereich zur Entwicklung von Simulationsmethoden für weiche Materie bewilligt" (25.05.2014)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Thomas Speck
Theorie der Kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26915
Fax +49 6131 39-20496
E-Mail: thomas.speck@uni-mainz.de
https://www.komet1.physik.uni-mainz.de/people/thomas-speck/

Kathrin Voigt | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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