Herausforderungen in der Grundlagenforschung

Herausforderungen in der Grundlagenforschung

7. Oktober 2022

Seit der Gründung des Instituts vor mehr als 35 Jahren hat sich die Anwendung makromolekularer Materialien dramatisch verändert und erweitert. 

Während der Fokus zu Beginn auf den sogenannten Commodities lag, hat sich die Entwicklung inzwischen der Anwendung zunehmend sehr viel anspruchsvolleren Fragestellungen zugewandt. Diese reichen von Einsätzen unter extremen Anforderungen über die Medizin bis zu aktiven Komponenten in elektronischen Bauteilen. Diese Entwicklung ist nur durch vorangegangene und begleitende Erforschung der Grundlagen möglich. 

Gerade im Arbeitsgebiet des MPI für Polymerforschung werfen neue Anwendungen fast immer auch neue Grundlagenfragen auf, die dann für sehr unterschiedliche Fragen von Bedeutung sind. Ein ganz besonders wichtiges Feld stellen dabei Grenzflächen jeglicher Art dar, die heute mit sich permanent verbessernden Methoden oft mit atomarer Auflösung in ihrer Struktur und Funktion untersucht werden.

Typische weiche makromolekulare Materie kann auch als „bulk of interfaces“ bezeichnet werden, da auf der aktuellen Skala der Auflösung das Bild vom homogen ausgefüllten Volumen nicht mehr trägt. Gerade mit Blick auf biologische Fragestellungen spielen wässrige Grenzflächen, besonders auch nahe dem mikroskopischen Gefrierpunkt, eine große Rolle. Wie kann man durch Makromoleküle die Eisbildung steuern und wie machen das Bakterien in der Natur? D.h. es geht darum, neuartige Frostschutz- und Eiskeimbildungsproteine aus verschiedenen biologischen Quellen zu identifizieren und deren Struktur, Funktionsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zu untersuchen.

Neben spektroskopischen Herausforderungen entstehen ganz neue Anforderungen an höchstauflösende Elektronenmikroskopie. In der Biologie hat sie zu einer „Revolution der Auflösung“ geführt. Wie kann man sie nutzen, um Eigenschaften und Funktion von stark in ihrer Konformation fluktuierenden Makromolekülen an Grenzflächen zu verstehen? Dies alles wird durch theoretische Arbeiten unterstützt und begleitet. Aber hier zeichnet sich eine neue, wichtige Entwicklung ab. Neben der Theorie und insbesondere der Multiskalenmodellierung haben sich in den letzten Jahren Methoden der künstlichen Intelligenz sehr stark verbessert. Letztere haben dabei aus der Informatik heraus viele neue Anwendungsgebiete erschlossen. Diese unterschiedlichen Herangehensweisen zu einem starken Werkzeug zu entwickeln ist eine der zentralen Herausforderungen für die Theorie der nächsten Jahre. 

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