Transport

Transportprozesse sind sowohl für die Technologie als auch für das Leben von grundlegender Bedeutung, da sie die Bewegung von Materie und Energie ermöglichen, die Reaktionen antreibt, biologische Funktionen aufrechterhält und Geräte mit Energie versorgt. Der Fluss von Elektronen und Ionen bildet die Grundlage für die Energieumwandlung zwischen chemischen und elektrischen Formen. In ähnlicher Weise erzeugt der Ionentransport durch Membranen in der Biologie Aktionspotenziale in Neuronen, reguliert das osmotische Gleichgewicht und treibt die Muskelkontraktion an. Weiche organische Materialien besitzen einzigartige Eigenschaften, um eine Brücke zwischen makroskopischen Festkörpergeräten und der Biologie zu schlagen, da sie mechanische Kompatibilität mit biologischen Geweben mit chemischer Abstimmbarkeit verbinden.

Am MPIP werden Ladungs- und Energietransport in weichen Materialien und Flüssigkeiten experimentell und theoretisch über Zeit- und Längenskalen hinweg untersucht. Der Ladungstransport ist die Grundlage für die elektrische Leitung in organischen Halbleitern und Elektrolyten und bildet die Basis für gedruckte Transistoren, Leuchtdioden, Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyse. Eine zentrale Herausforderung ist die Entwicklung fehlerfreier organischer Materialien, die die Effizienz solcher Geräte steigern. Der Energietransport, sei es durch Photonen, Phononen oder Wärme in weicher Materie oder durch Moleküle wie ATP in der Biologie, ist ebenso entscheidend. Eine grundlegende Herausforderung besteht darin, diese komplexen, gekoppelten Prozesse zu überwachen und zu verstehen. Dies erfordert eine Kombination aus fortschrittlichen spektroskopischen Techniken, maßgeschneiderter Materialsynthese, Simulationen im Molekülmaßstab und dem Bau funktionaler Geräte. Das MPIP integriert all diese Fähigkeiten – von femtosekundenauflösenden optischen Methoden bis hin zu präzisionsgesteuerter chemischer Synthese –, um die Molekulardynamik mit makroskopischen Funktionen in Zusammenhang zu bringen

. Was den Massentransport betrifft, so gewährleistet der biomolekulare Transport – von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden innerhalb von Zellen – eine ordnungsgemäße Signalübertragung, einen ordnungsgemäßen Stoffwechsel und die Aufrechterhaltung der Struktur. Am MPIP werden fortschrittliche Wirkstoffträger auf Basis von Polymer-Nanocontainern für die präzise Wirkstoffabgabe entwickelt, ebenso wie neuartige funktionelle Makromoleküle und biohybride Materialien, die in der Lage sind, direkt mit lebenden Zellen zu kommunizieren und zu interagieren und ein großes Potenzial für die zukünftige Biomedizin haben. Ultradünne, bioinspirierte Membranen werden mit kontrollierten Porengrößen hergestellt, die eine effiziente Trennung von Ionen und kleinen Molekülen ermöglichen. Der Transport der Nanotransporter zu den Zielzellen und -geweben, aber auch der Transport durch reaktionsfähige Poren stellen zentrale Herausforderungen dar.

Der Flüssigkeitstransport ist ein weiterer wichtiger Schwerpunktbereich. Er bestimmt die Löslichkeit, Vermischung und Reaktionskinetik und ist in biologischen Systemen die Grundlage für Prozesse wie die Blutzirkulation. Da der menschliche Körper zu etwa 60 % aus Wasser besteht, ist das Verständnis des molekularen Verhaltens von Wasser – insbesondere an verschiedenen Grenzflächen – ein wichtiges wissenschaftliches Ziel am MPIP.

Um die zugrunde liegenden Transportmechanismen in diesen molekularen Systemen aufzudecken, ergänzen fortschrittliche Simulationen und datengesteuerte Berechnungsmethoden unsere Experimente und umgekehrt.

Letztendlich strebt das MPIP an, den Transport von Ladungen, Ionen, Biomolekülen und Flüssigkeiten auf molekularer Ebene zu kontrollieren, die das Rückgrat physikalischer und chemischer Technologien sowie der Physiologie lebender Organismen bilden und den Energiefluss mit Struktur und Funktion verbinden.