FOR 1583

DFG-Forschungsgruppe 1583

Mitglieder der Fachbereiche Physik und Chemie bildeten den Kern einer DFG-Forschungsgruppe zum Thema „Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten bei Anwesenheit innerer Grenzflächen unterschiedlicher Hydroaffinität“, die von 2011 bis 2019 an der Technischen Universität Darmstadt eingerichtet war. Ziel der Initiative war die Untersuchung von Struktur, Dynamik und Phasenverhalten wasserstoffbrückenbildender Flüssigkeiten in Confinements unterschiedlicher Größe, Hydroaffinität und Weichheit.

Die Forschungsgruppe 1583, die aus insgesamt 9 Teilprojekten bestand, wurde von Prof. Vogel (Physik) als Sprecher und Prof. Buntkowsky (Chemie) als Co-Sprecher geführt. Neben Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen der TU Darmstadt waren Arbeitsgruppen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, der TU Dortmund und der FU Berlin beteiligt.

Die Ergebnisse der Forschungsgruppe wurden u.a. in einem Sonderband in der Zeitschrift für Physikalische Chemie (Volume 232, Issue 7-8) zusammengefasst.

Projektbeschreibung:

„Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten bei Anwesenheit innerer Grenzflächen unterschiedlicher Hydroaffinität“

Wasserstoffbrückenbildende Flüssigkeiten zeigen eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften, die sie für die grundlagen- und die anwendungsorientierte Forschung gleichermaßen sehr interessant machen. Ein bekanntes Beispiel bilden die Anomalien des Wassers, insbesondere die Dichteanomalie, die für das Leben unverzichtbar ist.

Grenzflächen können die Eigenschaften von Flüssigkeiten sehr stark beeinflussen. Beispielsweise hängt die Fluidität von Wasser in nanoskopisch einschränkender Geometrie von der Hydroaffinität und der Größe des Confinements ab. Die Fähigkeit, das Verhalten von wasserstoffbrückenbildenden Flüssigkeiten in einer räumlichen Beschränkung gezielt zu steuern, ist von enormer Bedeutung für die Regulierung von biologischen Prozessen, aber auch für die Miniaturisierung in der Nanotechnologie.

Die Forschungsgruppe FOR 1583 kombinierte modernste Techniken der Präparation, Charakterisierung und Modellierung, um das Zusammenspiel von Struktur, Dynamik und Phasenverhalten wasserstoffbrückenbildender Flüssigkeiten in Confinements unterschiedlicher Größe, Hydroaffinität und Weichheit bei verschiedenen äußeren Bedingungen, insbesondere in einem großen Temperaturbereich, umfassend zu analysieren.

Generell können Änderungen von Flüssigkeitseigenschaften im Confinement auf Grenzflächen-Effekten und auf Finite-Size-Effekten beruhen. Erstere werden durch spezifische Wechselwirkungen an den Rändern des Systems verursacht, während letztere auftreten, sobald die Größe des Confinements vergleichbar ist mit den strukturellen und dynamischen Längenskalen des Systems. Um die Bedeutung dieser Effekte zu erforschen und ein grundlegendes Verständnis zu erlangen, wurden in der Forschungsgruppe FOR 1583 nanoporöse Wirtmaterialien mit funktionalisierten Oberflächen maßgeschneidert hergestellt. Zur Analyse der Eigenschaften der Gastmaterialien kam eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Methoden in Kombination zum Einsatz. Hierzu zählten Techniken der Streuung, Spektroskopie, Kalorimetrie und Mikroskopie genauso wie Ansätze der Simulation und Modellierung. Auf diese Weise konnten die Struktur und Dynamik auf verschiedensten Längen- und Zeitskalen untersucht werden, um einerseits grundlegende Einsichten in die Struktur-Dynamik-Beziehungen auf mikroskopischer Ebene zu erlangen und andererseits die makroskopischen Eigenschaften aus den molekularen Mechanismen abzuleiten.

Die untersuchten Confinements umfassten gezielt oberflächenmodifizierte mesoporöse Silikate, Ionenspurkanäle in Polymerfolien und Mikroemulsionströpfchen. Die Komplexität der eingeschlossenen Flüssigkeiten wurde systematisch variiert. Das Spektrum reicht von Wasser über Wasser-Alkohol- und Wasser-Peptid-Mischungen bis hin zu Polymer- und Proteinlösungen.