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TU Berlin

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Forschungsschwerpunkte

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Ein Schwerpunkt der Forschung der Arbeitsgruppe liegt auf der Untersuchung fluider Phasen in begrenzten Geometrien. Hierbei handelt es sich zumeist um mesoporöse Materialien, bei denen typische Porenweiten im Bereich weniger Nanometer liegen. Die Größenordnung der Porenweite liegt damit im Bereich der Reichweite typischer intermolekularer Wechselwirkungen. Durch das Wechselspiel zwischen räumlicher Begrenzung auf nanoskopische Volumina und die intermolekularen Wechselwirkungen kommt es zu ungewöhnlichen Materialeigenschaften der Fluide. Das wohl prominenteste Beispiel ist dabei eine Verschiebung des kritischen Punktes des Fluids relativ zur Lage des kritischen Punkts einer entsprechenden Volumenphase, deren Ausmaß vom Grad der räumlichen Begrenzung abhängt. Je nach Beschaffenheit der begrenzenden Festkörperoberflächen kann es außerdem zur Ausbildung thermodynamischer Phasen kommen, die aufgrund ihrer inneren Struktur und ihren Transporteigenschaften keine Entsprechung im Volumen haben. Diese Phasen sind unter anderem wegen ihrer ungewöhnlichen Materialeigenschaften faszinierend. Hier konnten wir in den vergangenen Jahren unter anderem nachweisen, das Fluide in begrenzter Geometrie ein rheologisches Verhalten zeigen, dass denen eines Festkörpers im Volumen ähnelt, gleichzeitig jedoch Diffusionseigenschaften aufweisen, die typisch für flüssige Phasen im Volumen sind. Ein breites Spektrum moderner Methoden der Statistischen Physik wird hier eingesetzt. Es reicht von einfachen, störungstheoretischen Ansätzen über Dichtefunktionaltheorie bis hin zu Monte Carlo und Molekulardynamiksimulationen.

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Ein relativ neues Forschungsgebiet befasst sich mit fluiden Phasen, in denen verschiedene Längen- und Zeitskalen und deren Verbindung für spezifische Materialeigenschaften
relevant sind. Beispiele für solche Systeme sind etwa Kolloidteilchen oder super- bzw. supramolekulare Aggregate (z.B. Polymere) in Lösungsmitteln aus kleineren, schnellen
Molekülen. Bei der theoretischen Untersuchung solcher Systeme möchte man in der Regel von der aufwändige Berücksichtigung der (physikalisch irrelevanten) hohen Zahl von
Freiheitsgraden des Lösungsmittels absehen. Hierzu werden seit einigen Jahren Strategien einer ,,Grobrasterung'' (engl.: coarse graining) entwickelt, die es gestatten, eine physikalisch sinnvolle Beschreibung von Struktur und Dynamik des interessierenden Makromoleküls zu erhalten ohne eine explizite Berücksichtigung des nicht weiter interessierenden Lösungsmittels. Eine angemessene Berücksichtigung des Lösungsmittels kann durch die Einführung so genannter effektiver Potentiale (anstelle atomistischer Wechselwirkungspotentiale) erreicht werden, deren genaue Form von der Wahl des thermodynamischen Zustands abhängt. Die Bestimmung dieses Potentials gelingt am besten mit Hilfe der so genannten Boltzmann-Inversion auf numerischem Wege aus Strukturdaten. Die Dynamik grobgerasterter Systeme wird mit Hilfe Brown’scher Computersimulationen, herkömmlicher Molekulardynamik-Simulationen oder auch durch die numerische Lösung einer verallgemeinerten Langevin-Gleichung untersucht. Im letzteren Fall werden die Freiheitsgrade des Lösungsmittels durch stochastische Kräfte summarisch berücksichtigt.

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Prof. Dr. Martin Schoen
Fachgebietsleiter
Theoretische Chemie