Weiche Materie unter räumlicher Einschränkung

Mithilfe der dielektrischen Spektroskopie (DS) und ergänzender Verfahren untersuchen wir die Thermodynamik und Dynamik weicher Materialien unter Einschränkung. Diese Einschränkung wird durch nanoporöse harte Templates bewirkt, die einen zweidimensional begrenzten Raum bilden, in dem Selbstorganisationsprozesse wie Kristallisation, die Bildung von Proteinsekundärstrukturen, die Mesophasenbildung und die Phasentrennung beeinflusst werden können (Abbildung 1). Das Verständnis der Selbstorganisation, Thermodynamik und Dynamik weicher Materialien unter Einschränkung ermöglicht deren rationelles Design als funktionale Bauelemente mit einstellbarer mechanischer Festigkeit, Verarbeitbarkeit sowie elektronischen und optischen Eigenschaften. 

 

In den letzten Jahren wurden sowohl in der Theorie als auch in der Praxis gezielte Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie Polymere in Nanoporen eindringen. Ein Fortschritt bei der Untersuchung der Polymerimbibition war die sogenannte Nanofluidik-Methode auf Basis von DS (d. h. Nano-DS). Die Methode liefert quantitative Informationen über den Imbibitionsprozess. Darüber hinaus ermöglicht sie den Zugang zu Längen- und Zeitskalen (vom lokalen segmentalen über interne Kettenmoden bis hin zum längsten Normalmodus und zum wesentlich langsameren Adsorptionsprozess) unter Nichtgleichgewichtsbedingungen (z. B. während des Fließens), die zuvor nicht berücksichtigt wurden. Bei Polymeren liefern die Ergebnisse eindeutige Belege für zunehmende Grenzflächenwechselwirkungen. 

In einem zweiten Forschungsbereich untersuchen wir, wie sich die Einschränkung des Raums auf die Kristallisation und die Dynamik von Systemen mit Wasserstoffbrückenbindungen, darunter auch Wasser, auswirkt. Durch die Untersuchung von Modellsystemen mit räumlicher Einschränkung gewinnen wir neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von eingeschlossenem Wasser und Alkohol, die möglicherweise in der Kryokonservierung Anwendung finden können.

 

In einem dritten Forschungsbereich untersuchen wir den Ionentransport in Nanokanälen (Abbildung 2). Wir befassen uns damit, wie die Geometrie des begrenzten Raums, die molekulare Architektur (ionische Flüssigkeiten und polymerisierte ionische Flüssigkeiten) sowie dynamische elektrostatische Kräfte gemeinsam den Ionentransport und die Strömung beeinflussen – ein Aspekt, der für die Entwicklung von Materialien für Energiespeicher, die Nanofluidik und Sensortechnologien von Bedeutung ist. 

References:

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