Beiträge zum Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Die Trennung verschiedener Stoffe benötigt einen großen Anteil des weltweiten Energiebedarfs. In einem innovativen Ansatz versucht meine Forschungsgruppe, besonders energieeffiziente Trennverfahren zu realisieren, indem wir Quanteneffekte nutzen. Dank der neu entdeckten "Quantenreibung" zwischen Flüssigkeiten und den Wänden von Kanälen lassen sich Flüssigkeitsströme im Nanomaßstab präzise steuern, und zwar, indem die Elektronen in den Kanalwänden beeinflusst werden. Dieser Mechanismus könnte in Zukunft Trennverfahren erheblich verbessern.
 

Medikamente durchlaufen ein komplexes Testverfahren, bevor sie zum Einsatz kommen. Teil dieses Verfahrens sind oftmals Versuche an Tieren. Unter anderem ist hierbei wichtig, wie Medikamente durch die Zellwände des Darms bis ins Blut gelangen können. Um diesen Prozess auch in Laborexperimenten bereits simulieren zu können, haben wir in unserer Arbeit einen auf organischen Materialien basierenden Transistor entwickelt. Mit diesem lässt sich in unserem Versuchsaufbau die Durchlässigkeit von Zellschichten durch Messung ionischer Ströme messen.

Die Erzeugung von Wasserstoff oder die Gewinnung von Energie aus molekularem Wasserstoff könnten wichtige Prozesse bei zukünftigen Energiespeicher-Systemen sein, wie sie unter anderem in wasserstoffbetriebenen Autos bereits genutzt werden. Am Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben wir uns die auf molekularen Längenskalen ablaufenden Prozesse genauer angesehen und damit grundlegende Einblicke in die chemischen Reaktionen an Elektroden gewonnen.

Durch eine Verletzung durchtrennte Nervenbahnen sind nur schwer behandelbar und machen teils aufwändige Operationen erforderlich. Am MPI für Polymerforschung haben wir uns gefragt, ob sich Nervenzellen nicht mittels maßgeschneiderter Materialien zum Wachstum stimulieren lassen. Dies würde den Zellen helfen, eine Lücke im Nerv wieder zu schließen. Mit einem künstlich im Labor hergestellten Material sind wir der Lösung dieses Problems ein ganzes Stück nähergekommen und forschen nun daran, dass unser Material in Zukunft eine Alternative zu Operationen darstellen könnte.

Die Pilzkrankheit Esca befällt Weinreben und führt zu einem Absterben der Pflanzen. Ein Befall kann auch Jahre vor den ersten äußeren Anzeichen stattfinden, was eine frühzeitige Behandlung nahezu unmöglich macht. Jährlich entsteht so weltweit ein Schaden von über einer Milliarde Euro. In unserer Forschung haben wir eine auf Nanotechnologie basierende Behandlungsmethode entwickelt, die den Pilz im Inneren der Weinrebe bekämpfen kann.

Die Bewegung von Wassertropfen über Oberflächen ist auch heute ein aktuelles Forschungsgebiet. Kenntnisse über die physikalischen Vorgänge an solchen Fest-Flüssig-Grenzflächen helfen, langlebige, saubere Oberflächen herzustellen. In unserem Arbeitsbereich arbeiten wir daher daran, mit modernen mikroskopischen Methoden das Gleiten von Tropfen genau zu verstehen. Diese Einsichten führen zu neuartigen Konzepten für moderne selbstreinigende Oberflächen.

Die Herstellung von kleinsten Diamantpartikeln, sogenannten Nanodiamanten, mit räumlich präzise platzierten Gitterdefekten und einer kontrollierten Morphologie stellt eine große Herausforderung dar. Die synthetischen Anstrengungen sind jedoch sehr lohnend. Funktionalisierte Nanodiamanten versprechen, als Quantensensoren einen einzigartigen Einblick in die Struktur und Dynamik von einzelnen Biomolekülen in ihrer zellulären Umgebung zu liefern und als effiziente Therapeutika und verbesserte Kontrastmittel einen effizienten und nachvollziehbaren Transport von Wirkstoffen in vivo zu ermöglichen.

Im Jahr 1993, zwölf Jahre nach der Entdeckung der Photonik, war die Geburtsstunde der phononischen Materialien für die kontrollierte Ausbreitung von mechanischen/akustischen Wellen. Erste Experimente wurden realisiert. Bald danach folgte die experimentelle Umsetzung im Schall und im Hyperschallbereich. Anhand von künstlichen und natürlichen hierarchischen Strukturen, wird dieses neue Feld der Hochfrequenz-Phononen hervorgehoben. Das Ziel hierbei ist es, starke, taube, kühle und interaktive Materialien zu erzeugen.

Die Sonne ist eine bekannte und in den letzten Jahren stark genutzte Energiequelle. Solarzellen wandeln die Sonnenenergie in elektrische Energie. Nach langer Erforschung und Optimierung machen sie, installiert auf Dächern oder Feldern, die Sonnenenergie für Gemeinden und Haushalte umweltfreundlich nutzbar. Diese Energieerzeugung ist jedoch wetter- und tageslichtabhängig. Der Energiebedarf ist hingegen meist nicht proportional an die Energieerzeugung gekoppelt. Deshalb wird die Entwicklung der Energiespeicherung zum wesentlichen Faktor.

An den Beispielen von Graphen-Nanostreifen und formstabilen Dendrimeren beschreibe ich komplexe Polymersynthesen und deren großen Nutzen für Elektronik einerseits und Gentherapie andererseits. Die erste Botschaft lautet: Für ehrgeizige Ziele der Materialforschung kann Synthese nicht nur „einfach und praktisch“ sein. Die zweite Botschaft lautet: Innovation braucht die richtigen Mitarbeiter und Partner.

Konjugierte Polymere können aus einer Lösung verarbeitet werden. Dies eröffnet enorme Möglichkeiten für Produktionsprozesse, die auf einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren basieren. Der kommerzielle Erfolg steht jedoch noch aus. Die intrinsischen Eigenschaften von konjugierten Polymeren waren durch Defektstellen verborgen, daher wurde bisher ihr volles Potential nicht ausgeschöpft. Am MPI-P werden sie erforscht, analysiert und verbessert. Durch die gesteuerte Phasentrennung von Polymermischungen lassen sich neue Eigenschaften und Nanostrukturen erzeugen.

In Industrieländern beträgt der volkswirtschaftliche Schaden durch Korrosion nach neueren Erkenntnissen bis zu 6 Prozent des Bruttonationaleinkommens, wenn man alle Folgekosten miteinbezieht, die beispielsweise durch Produktionsausfälle oder Betriebsstörungen entstehen. Allein in Deutschland sind dies rund 150 Milliarden Euro pro Jahr. Daher wird das Thema Korrosionsschutz sowohl in der angewandten industriellen als auch in der Grundlagenforschung an Instituten und Hochschulen intensiv erforscht.

Selbstreinigende Oberflächen nutzt die Natur schon lange. Auf Lotusblättern sorgen Mikrostrukturen dafür, dass Wasser abperlt und Schmutz mitnimmt. Wesentlich schwieriger ist dieser Effekt bei öligen Substanzen erreichbar. Im Labor gelingen neuerdings Oberflächen, die zugleich Wasser, Öle oder sogar menschliches Blut abweisen. Damit werden neue Anwendungen denkbar, wie die Lösungsmittel-freie Synthese polymerer Partikel oder die Herstellung effizienterer Gasmembranen.

Von der Biologie bis zur Fotovoltaik ist die Entstehung von makromolekularen Strukturen und deren Funktionalität das Ergebnis von Nichtgleichgewichtsprozessen. Obwohl von zentraler Bedeutung, fehlt ein grundlegendes molekulares Verständnis dieser Prozesse. Die Entwicklung der letzten Jahre ermöglicht es nun, solche Prozesse über viele Zeit- und Längenskalen zu verfolgen. MolProComp greift diese Entwicklung auf und wird Computersimulationsmethoden entwickeln, die auf die Analyse, die Kontrolle und die Manipulation solcher Prozesse abzielen.

Zwei Phänomene werden für die Zukunft unserer Gesellschaft entscheidend sein: Energieversorgung und Informationsverarbeitung. Die Qualität unserer Lösungsansätze dazu hängt von den Materialien ab. Graphen, ein monolagiger Ausschnitt aus dem Graphit, wird gegenwärtig als Wunderstoff gehandelt. Welche Forderungen sind zu erfüllen, dass auf Basis von Graphen robuste zukunftsträchtige Technologien entstehen?

Die organische Elektronik hat sich als neue Technologie für breit gefächerte mikroelektronische Anwendungen,
wie flexible Bildschirme, elektronische Zeitungen, kontaktfreie Datenerfassung durch Transponder und smarte Labels, etabliert. Die meisten dieser Anwendungen benötigen Speicherfunktionen, vorzugsweise auch solche, die Daten sichern, wenn der Strom abgeschaltet ist, und die zudem elektronisch programmiert, gelöscht und gelesen werden können.

Die kontrollierte Steuerung von Wärmeenergie durch Materialdesign ist ein wichtiger Schritt auf der Suche nach sauberen und erneuerbaren Energiequellen. Prognosefähige atomare Simulationen enthüllen die Einzelheiten des Wärmetransports in Nanostrukturen und ebnen den Weg für die Konstruktion von Materialien auf Nanometer-Skala. In diesem Beitrag werden Anwendungsmöglichkeiten von Simulationswerkzeugen auf atomarer Ebene vorgestellt, um den Wärmetransport in thermoelektrischen Materialien und Nanogeräten auf Siliziumbasis und in Kohlenstoffnanostrukturen zu untersuchen.

Brillen, Windschutz- und Fensterscheiben haben ein gemeinsames Problem: Sie verschmutzen. Auch in der Photovoltaik kämpft man gegen die Verschmutzung der Solarzellen an. Inzwischen gibt es Beschichtungen, an denen Wassertropfen kaum noch hängen bleiben. Allerdings gilt dies nicht für organische Flüssigkeiten. Ganz selten sind Beschichtungen gleichzeitig abweisend für Öle, Wasser, Seifen- und Proteinlösungen. Nicht nur Öle, sondern auch Rotwein würde von diesen Oberflächen abrollen ohne Flecken zu hinterlassen. Eine annähernd fraktale Struktur aus Silikakugeln eröffnet hier neue Möglichkeiten.

Der Miniemulsionsprozess erlaubt in modularer Herangehensweise die Bildung von funktionalisierten Nanopartikeln und die Verkapselung eines festen oder flüssigen, eines anorganischen oder organischen, eines hydrophoben oder hydrophilen Materials in einer Polymerschale. Dabei können verschiedenste Materialien von organischen und anorganischen Pigmenten, festen Nanopartikeln bis hin zu hydrophilen sowie hydrophoben Flüssigkeiten wie z. B. Vitaminen, Medikamenten oder Photoinitiatoren verkapselt und gezielt freigesetzt werden. Eine Funktionalisierung der Nanopartikel ist einfach erreichbar.

Forscherinnen und Forscher träumen schon lange davon, Molekülen bei jenen Prozessen zuzusehen, die für die Entstehung neuer Materialien wichtig sind. Um solche Vorgänge wie Rotation, Translation oder Reaktion der Einzelmoleküle auf molekularer Ebene zu beobachten, sind jedoch Verfahren mit hohem zeitlichem und räumlichem Auflösungsvermögen nötig, d. h. auf einer Zeitskala von Femtosekunden und einer Längenskala im Nanometerbereich.

Elektronische Bauelemente aus organischen Materialien bieten einige Vorteile gegenüber ihren anorganischen Pendants. Die bisherigen Werkstoffe erreichen jedoch noch nicht die erwünschte Effizienz für einen flächendeckenden Einsatz. Grund dafür sind fundamentale Prozesse auf molekularer und atomarer Ebene, die für Ladungsspeicherung und Ladungstransport verantwortlich sind und durch ein komplexes Zusammenspiel von Materialzusammensetzung und deren Wechselwirkungen bestimmt werden. Durch numerische Simulationen gelingt es am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, diese Vorgänge zu verstehen.

Messmethoden, die auf dem Effekt der Magnetresonanz basieren, sind zu wichtigen Analyseinstrumenten in der modernen Forschung und der medizinischen Diagnostik geworden. In der Magnetresonanzspektroskopie und -tomographie (MRT) wird die quantenmechanische Eigenschaft des Spins als Spion eingesetzt, der detaillierten Einblick in den Aufbau von Materialien bzw. Geweben erlaubt. So können neuartige, hyperpolarisierte Kontrastmittel für die MRT bisher nicht zugängliche Prozesse im Körper sichtbar machen und bieten leuchtende Zukunftsaussichten für völlig neue medizinische Anwendungsgebiete.

Die Steuerung von Vorgängen an der Grenzfläche zwischen künstlichen Materialien und biologischen Systemen ist auf vielen Gebieten relevant. Sie reichen von Biosensoren bis zur Gewebezüchtung. Der inerte und statische Charakter künstlicher Oberflächen steht im Gegensatz zu den dynamischen, reversiblen und evolutionären Eigenschaften biologischer Vorgänge. Diese Lücke kann mit neuartigen Strategien, die eine präzise und aktive Änderung der Oberflächeneigenschaften ermöglichen, geschlossen werden. Hierzu werden jederzeit verfügbare und biologisch verträgliche externe Stimuli verwendet.

Taubildung, d.h. Kondensation von Wassertropfen auf kalten Unterlagen, führt zu komplexen Mustern der Tropfen auf der Unterlage (breath figures). Tropfenwachstum, die Dynamik der Tropfenverschmelzung und die kondensierte Flüssigkeitsmenge hängen sensitiv von der Umgebung der kondensierenden Tropfen und den mechanischen Eigenschaften der Unterlage ab. Je leichter deformierbar die kalte Unterlage ist, desto mehr Tropfen kondensieren darauf und desto stärker wechselwirken die Tropfen mit der Unterlage.

Leitfähige organische Moleküle für elektronische Anwendungen wie organische Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren bieten interessante Vorteile gegenüber etablierten, auf Silizium basierenden Technologien. Um das Potenzial der organischen Materialien vollständig ausschöpfen zu können, müssen die Zusammenhänge zwischen Struktur und optischen / elektronischen Eigenschaften verstanden werden. Enorme Fortschritte in der optischen Spektroskopie mit gepulsten Lasern ermöglichen es heutzutage, die grundlegenden photophysikalischen Vorgänge bis in den Femtosekundenbereich zu verfolgen.

Organische Halbleitermaterialien eröffnen die Herstellung von preiswerten, flexiblen und großflächigen optoelektronischen Bauteilen wie lichtemittierenden Dioden (LEDs), Feldeffekt-Transistoren (FETs), Solarzellen und Sensoren. Hier ist auch die Grundlagenforschung involviert, denn für effizientere Materialien werden neben technischen Optimierungen neue Synthesebausteine benötigt. So beschäftigt sich die aktuelle Forschung mit der Entwicklung maßgeschneiderter organischer Funktionsmaterialien und ihrer Verarbeitung zu Filmen geeigneter Morphologie für die jeweiligen Anwendungen.

Biologische Membranen, flexible Doppelschichten aus Lipidmolekülen, bilden die äußere Hülle jeder lebenden Zelle. Viele ihrer wichtigen Eigenschaften beruhen auf Prinzipien, die sich mit Methoden der Physik der weichen Materie verstehen lassen. So können etwa anhaftende Proteine nach Aufprägung einer lokalen Membrankrümmung miteinander wechselwirken, wie jüngst in Computersimulationen gezeigt wurde.

Quantenmechanische Molekulardynamik-Simulationen und Festkörper-Kernspinresonanzmethoden geben Aufschluss über Struktur und Transportprozesse auf atomarer Ebene in modernen Brennstoffzellen-Membranen. Die hierbei gewonnen Erkenntnisse fließen unmittelbar in die Optimierung der chemischen Strukturen dieser hochspezialisierten Materialien ein und können somit für eine messbare Verbesserung der Effizienz zukünftiger Brennstoffzellengenerationen sorgen.

Die Kombination von Chemie und Biologie auf molekularer Ebene führte am MPI für Polymerforschung zu der Entwicklung einer neuen experimentellen Strategie zur Untersuchung und Verwendung von Membranproteinen. Über die bereits lange bekannte Strategie der zellfreien Proteinsynthese können Proteine mit besonders interessanten Eigenschaften für die Sensorik – nämlich Geruchsrezeptoren – hergestellt und untersucht werden. Dazu wird ein Zellextrakt mit der genetischen Information des Geruchsrezeptors auf eine Lipidmembran gegeben und mit optischen und biochemischen Methoden die entstehenden Proteine charakterisiert.

Drei Verfahren zur Mikro- und Nanostrukturierung von weichen und empfindlichen Materialien wie Polymere werden hier vorgestellt. Gegenüber konventionellen Prozessen haben sie den Vorteil, dass sie preiswert, schnell und einfach sind. Sie basieren auf grundlegenden physiko-chemischen Effekten: Polymere werden durch UV-Strahlung oder Plasmabehandlung vernetzt und durch den Einsatz von Lösungsmittel lokal angelöst und/oder zum Quellen gebracht.

Erstmals wurde Photonenenergie-Upconversion in Lösungen aus Diphenylanthrazen und Platin-octaethylporphyrin bei Anregung mit nicht- kohärentem Licht geringer Intensität (~10 W/cm²) demonstriert. Der entscheidende Vorteil des hier vorgestellten Phänomens ist seine Unabhängigkeit von den Kohärenzeigenschaften des Anregungslichts.

Die kleinsten Funktionseinheiten von Organismen und weichen Materialien haben Maße zwischen 1 und 10 nm und wiederholen sich meist nicht periodisch. Durch zielgenau eingebrachte Spinsonden und moderne Elektronenspinresonanz-Experimente können funktionell wichtige Aspekte derart komplexer Strukturen erfasst werden.

Unsere Vorstellung, die wir von geordneter weicher Materie haben, zu der auch Polymere oder Kolloide gehören, wird von statischen Strukturen dominiert, die nur Momentaufnahmen der möglichen Konformationen darstellen. Die Struktur weicher Materie fluktuiert stark mit der Zeit, weil solche Materialien thermischer Anregung nur geringen Widerstand bieten. Wesentlich für die Materialfunktionen ist die Strukturdynamik. Die Erforschung der molekularen Bewegungen über weite Zeitspannen und über große räumliche Bereiche ist daher eine Herausforderung für Experimentatoren und Theoretiker. Drei ausgewählte Themen aktueller Projekte verdeutlichen diese Herausforderung.

Durch Trägerung von Metallocenen auf mikrometergroßen aggregierten organischen Nanopartikeln, erhalten durch Emulsionspolymerisation, lassen sich hochaktive Katalysatorsysteme für die Olefinpolymerisation darstellen. Der Einfluss der Träger auf die Polymerisation wird mit der konfokalen Fluoreszenz- und der Videomikroskopie studiert.

Durch den Einsatz optischer Polarisationsmethoden lassen sich Bilder von Gasen mit Kernspintomographie aufnehmen. Dies ist insbesondere für Untersuchungen der Lunge interessant, welche mit bis dahin nicht erreichter räumlicher Auflösung abgebildet werden kann. Die Kombination der Abbildung mit physikalischen Informationen erlaubt darüber hinaus eine Charakterisierung der Morphologie und Funktion der Lunge im mikroskopischen Bereich.

Es werden drei verschiedene Felder vorgestellt, in denen die Theorie und Simulation von Polymeren in völlig unterschiedlichen Zusammenhängen eine Rolle spielt. Zunächst werden der Zusammenhang von spezifischer Adsorption einzelner chemischer Gruppen im Polymer mit einer Metalloberfläche und der Einfluss auf die globale Kettenkonformation studiert. Im zweiten Beispiel wird ein Bezug zwischen der Konformation der Ketten und der sog. Verhakungslänge, die die Rheologie von Schmelzen bzw. den Modul von Elastomeren bestimmt, entwickelt. Im dritten Beispiel wird gezeigt, wie man mit einem relativ einfachen Ausgangsmodell für die DNA ("semi flexible worm like chain") grundlegende Phänomene der DNA-Repositionierung entlang des Chromatins erklären kann.