FOR 1583

DFG-Forschergruppe 1583

Mitglieder der Fachbereiche Physik und Chemie der TU Darmstadt bilden den Kern einer neu eingerichteten DFG-Forschergruppe zum Thema „Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten bei Anwesenheit innerer Grenzflächen unterschiedlicher Hydroaffinität“, die in den nächsten drei Jahren mit 2,7 Mio € gefördert wird. Ziel der Initiative ist die Untersuchung von Struktur, Dynamik und Phasenverhalten wasserstoffbrückenbildender Flüssigkeiten in Confinements unterschiedlicher Größe, Hydroaffinität und Weichheit.

Die Forschergruppe, die aus insgesamt 9 Teilprojekten besteht, wird von Prof. Vogel (Physik) als Sprecher und Prof. Buntkowsky (Chemie) als Co-Sprecher geführt. Neben Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen der TU Darmstadt sind Arbeitsgruppen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, der TU Dortmund und der FU Berlin beteiligt.

Projektbeschreibung:

„Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten bei Anwesenheit innerer Grenzflächen unterschiedlicher Hydroaffinität“

Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten zeigen eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften, die sie für die grundlagen- und die anwendungsorientierte Forschung gleichermaßen sehr interessant machen. Ein bekanntes Beispiel bilden die Anomalien des Wassers, insbesondere die Dichteanomalie, die für das Leben unverzichtbar ist.

Grenzflächen können die Eigenschaften von Flüssigkeiten sehr stark beeinflussen. Beispielsweise hängt die Fluidität von Wasser in nanoskopisch einschränkender Geometrie von der Hydroaffinität und der Größe des Confinements ab. Die Fähigkeit, das Verhalten von wasserstoffbrückenbildenden Flüssigkeiten in einer räumlichen Beschränkung gezielt zu steuern, ist von enormer Bedeutung für die Regulierung von biologischen Prozessen, aber auch für die Miniaturisierung in der Nanotechnologie.

Die Forschergruppe FOR 1583 kombiniert modernste Techniken der Präparation, Charakterisierung und Modellierung, um das Zusammenspiel von Struktur, Dynamik und Phasenverhalten wasserstoffbrückenbildender Flüssigkeiten in Confinements unterschiedlicher Größe, Hydroaffinität und Weichheit bei verschiedenen äußeren Bedingungen, insbesondere in einem großen Temperaturbereich, umfassend zu analysieren.

Generell können Änderungen von Flüssigkeitseigenschaften im Confinement auf Grenzflächen-Effekten und auf Finite-Size-Effekten beruhen. Erstere werden durch spezifische Wechselwirkungen an den Rändern des Systems verursacht, während letztere auftreten, sobald die Größe des Confinements vergleichbar ist mit den strukturellen und dynamischen Längenskalen des Systems. Um die Bedeutung dieser Effekte zu erforschen und ein grundlegendes Verständnis zu erlangen, werden in der Forschergruppe FOR 1583 nanoporöse Wirtmaterialien mit funktionalisierten Oberflächen maßgeschneidert hergestellt. Zur Analyse der Eigenschaften der Gastmaterialien kommt eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Methoden in Kombination zum Einsatz. Hierzu zählen Techniken der Streuung, Spektroskopie, Kalorimetrie und Mikroskopie genauso wie Ansätze der Simulation und Modellierung. Auf diese Weise können die Struktur und Dynamik auf verschiedensten Längen- und Zeitskalen untersucht werden, um einerseits grundlegende Einsichten in die Struktur-Dynamik-Beziehungen auf mikroskopischer Ebene zu erlangen und andererseits die makroskopischen Eigenschaften aus den molekularen Mechanismen abzuleiten.

Die untersuchten Confinements umfassen gezielt oberflächenmodifizierte mesoporöse Silikate, Ionenspurkanäle in Polymerfolien und Mikroemulsionströpfchen. Die Komplexität der eingeschlossenen Flüssigkeiten wird systematisch variiert. Das Spektrum reicht von Wasser über Wasser-Alkohol- und Wasser-Peptid-Mischungen bis hin zu Polymer- und Proteinlösungen.