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Main Research

Lupe

Main focus of our research is the investigation of fluid phases in confined geometries. It is a question of mesoporous materials mostly, in which typical pore widths are in the range of few nanometers.
The dimension of pores widths corresponds to the range of typical intermolecular interactions. Because of the interplay between spatial confinement to nanoscopic volumina and intermolecular interactions there will be unusual properties of fluids. The most prominent example is the shift of critical point of a fluid related to the critical point of an according bulk phase which depends on the degree of confinement. According to the properties of the confining solid interfaces, a formation of thermodynamic phases is possible which have no analogy in bulk because of its inner structure and transport characteristics. These phases are very important because of their unusual material properties. In the last years we were possible to demonstrate that fluids in confined geometry show a rheological behavior that is similar to a solid's bulk while their diffusion characteristics are typical for liquid bulk phases. Here a wide range of modern methods of statistical physics is adopted that range from simple perturbation theory to density functional theory and Monte Carlo as well as molecular dynamic simulations.

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[Translate to English:] 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 dieser 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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