Strukturbildung auf kleinen Skalen
Die Forschungsgruppe „Strukturbildung auf kleinen Skalen” untersucht, wie Ordnung in ungeordneter, weicher Materie entsteht, wenn Partikel miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren. Wir erforschen die Mechanismen dieses Ordnungsvorgangs und erproben, wie damit neue Materialien hergestellt werden können.
Neue Wege zu strukturierten Materialien
Unter bestimmten Bedingungen bilden sich in weicher Materie geordnete Strukturen. Solche Anordnungsprozesse sind neue, viel versprechende Wege zu Materialien, die auf einer Skala unterhalb eines Mikrometers geordnet sind. Sie können konventionelle Hochtemperatur- und Vakuumprozesse ergänzen. Schon kleine Energiedifferenzen reichen aus, um die Strukturbildungsprozesse in eine bestimmte Richtung zu lenken. Andererseits behindern bereits kleine Störungen die Strukturbildung, weshalb Prozessparameter wie Temperatur, Partikelbeweglichkeit und Lösemitteleigenschaften sorgfältig gewählt werden müssen. Die Empfindlichkeit des Ordnungsprozesses macht solche „bottom-up“-Strukturierungsmethoden interessant, aber auch schwierig.
Abb. 1 Eine Mischung aus Silber-Nanowürfeln und anderen Einkristallen ordnet sich spontan an, kann aber auch von einem Templat dazu gezwungen werden, Linien zu bilden
Der wissenschaftliche Ansatz
Wir untersuchen Strukturbildung experimentell an Kolloiden und Polymeren in sorgfältig kontrollierten Abscheide- und Beschichtungsapparaturen, oft mit verkleinerten Versionen technisch relevanter Oberflächenbeschichtungsmethoden. In-situ-Mikroskopie und -Spektroskopie erlauben es uns, die Strukturbildung direkt zu beobachten. Mit einstellbaren Prozessparametern beeinflussen wir die entstehenden Strukturen, um so optimale Prozessparameter, bei denen geordnete Schichten in großen Mengen entstehen, zu finden.
Die Interessen der Gruppe betreffen sowohl das grundsätzliche Verständnis von Ordnungsprozessen als auch deren praktische Anwendung. Wir untersuchen, ob bestimmte Bildungsprozesse bekannten Phasenübergängen ähneln, ob sie weit entfernt vom Gleichgewicht stattfinden und welche Interaktionen dominant sind. Stofftransportphänomene sind entscheidend für die Strukturbildung, weil sie oft bestimmen, ob ein Energieminimum erreicht werden kann, ob eine stationäre Struktur entsteht oder sich ungeordnete Bereiche bilden. Wir untersuchen daher Fluidmechanik, Lösemitteleffekte, Diffusion in wechselwirkenden Systemen und verwandte Transportphänomene.
Mit Templaten, Randbedingungen und Feldern können wir die Strukturbildungsprozesse beeinflussen. Werden damit genau definierte Randbedingungen und Energieminima vorgegeben, lassen sich aus der Reaktion des Systems Rückschlüsse auf die Anordnungsmechanismen ziehen. Solche Randbedingungen können entweder die geordneten Strukturen auf bestimmte Bereiche begrenzen oder die Position jedes einzelnen Partikels festlegen. Während die Partikelanordnung ohne Template von Interesse für die Herstellung von größeren Materialmengen ist, erlauben Template die Nutzung der Eigenschaften einzelner Partikel.
Abb. 2 Selbst makroskopische Gegenstände können sich spontan zu geordneten Strukturen anordnen, wie dieses Beispiel gegensätzlich geladener Polymerkugeln zeigt
Strukturbildende Prozesse können Materialien erzeugen, die mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken, Eigenschaften der Ausgangspartikel vermischen, anisotrope Eigenschaften haben oder hierarchische Geometrien zeigen. Ihre möglichen Anwendungen reichen von funktionalen Oberflächenbeschichtungen bis hin zu elektronischen Bauteilen.
Ein besseres Verständnis der Strukturbildung auf kleinen Skalen verbessert unser Verständnis für sich ordnende Systeme, wie sie in der Natur vielfältig auftreten, vergrößert die Bandbreite an strukturierten Materialien, die wir künstlich herstellen können, verbessert die Qualität dieser Materialien und erlaubt es uns, sie in hinreichender Menge herzustellen.