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Mikrophasenseparierte Blockcopolymere
zeigen auch sehr interessante mechanische
Eigenschaften. Thermoplastische Elasto-
mere, welche aus Triblockcopolymeren
aufgebaut sind, deren Endblöcke eine
harte Komponente darstellen, während der
Mittelblock gummielastisch ist, sind ein
bekanntes Beispiel. Auch die Natur zeigt
das Potenzial solcher Strukturen, wie z.B.
beim Aufbau von Zahnschmelz oder Perl-
mutt, welche auf einer mikroskopischen
Längenskala aus harten keramischen Parti-
keln und weichen Biopolymeren aufgebaut
sind. Der Arbeitskreis entwickelt Polymere,
welche über funktionelle Gruppen an
Nanopartikeln bzw. an bereits mit Polyme-
ren beschichteten Nanopartikeln anhaften
können. Ziel ist es, dabei hierarchische
Materialien aufzubauen, deren thermo-
mechanische Eigenschaften sich über die
Eigenschaften der Nanopartikel, der Poly-
mere und der Haftstellen maßschneidern
lassen. Diese Arbeiten finden im Rahmen
eines von der Deutschen Forschungsge-
meinschaft finanzierten Sonderforschungs-
bereiches (SFB 986, M3) in Kooperation
mit der Technischen Universität Hamburg-
Harburg und dem Helmholtz-Zentrum
Geesthacht statt.
Nanoskopische Systeme
Nanostrukturen werden üblicherweise als
Objekte definiert, die mindestens entlang
einer Raumrichtung eine Ausdehnung von
Arbeitskreis Theorie Nanoskopischer Systeme, Institut für
Physikalische Chemie
Leiter: Prof. Dr. Gabriel Bester
Der Arbeitskreis (AK) wurde im Februar 2014 etabliert und beschäftigt sich mit der Model-
lierung nanoskopischer Systeme. Zielsetzung des AK ist die Ausarbeitung von Konzepten
und deren Implementierung in Computerprogramme, um fundamentale Eigenschaften von
Materie mit nanoskopischer Längenskala zu verstehen und vorherzusagen. Hierbei spielen
quantenmechanische Effekte eine entscheidende und wesentliche Rolle. Das Forschungsgebiet
reicht von Nanostrukturen, bestehend aus wenigen Atomen, die dem Gebiet der Quantenche-
mie zugeordnet werden, bis hin zu künstlich strukturierter Materie, die aus der Festkörper-
physik entstanden ist. Unsere Forschung erfolgt in engem Austausch mit Experimentatoren.
So können ermittelte Vorhersagen überprüft bzw. experimentell gemessene Daten anhand
quantenchemischer Berechnungen erklärt werden.
Abbildung 1: Nanostruktur aus Indiumarse-
nid Halbleitermaterial (blaue Kegelstümpfe;
die als Quantenpunkte bezeichnet werden)
eingebettet in Galliumarsenid (nicht darge-
stellt). Die elektronischeWellenfunktion des
bindenden Zustandes dieses Quantenpunkt-
Moleküls ist rot dargestellt. Jeder der Quan-
tenpunkte besteht aus etwa dreißigtausend
Atomen. Die zugrundeliegende atomare
Struktur der Quantenpunkte ist schematisch
imVordergrund vergrößert dargestellt.
1-100 Nanometer besitzen (ein Beispiel da-
für zeigt Abbildung 1). Mit dieser Definition
sind Systeme aus Nanostrukturen nicht nur
in der Natur sondern auch in einer Vielzahl
von technischen Anwendungen weit
verbreitet. Viele Chemiker arbeiten an Mo-
lekülen, deren Dimension dieser Definition
entspricht. Forschung an Nanoskopischen
Systemen beinhaltet Nanophysik und Na-
nochemie. Unter diesen Begriffen verbirgt
sich jedoch mehr als nur eine Charakteri-
sierung bezüglich der Objektgröße. Unter
„Nano“ versteht man die Skala, bei der die
Materialeigenschaften erheblich von den
Volumeneigenschaften des Festkörpers ab-
weichen. Dabei verschwinden die Grenzen
zwischen Materialwissenschaften, Physik
und Chemie. Hierbei finden Annäherungen
an historisch getrennte Gebiete, wie der
Molekularbiologie (manchmal als Nano-
wissenschaft der lebendigen Organismen
bezeichnet), statt.
Die neuen Phänomene, die aufgrund einer
Reduzierung der Atomanzahl beobachtet
werden, lassen sich in zwei Kategorien
einteilen: die Veränderung bekannter und
das Auftreten neuer Eigenschaften.
Bei der Veränderung der bekannten Eigen-
schaften, wie z. B. plastische Verformbar-
keit des Werkstoffes, können drastische
Abweichungen vorkommen. Diese werden
als qualitative Veränderung bezeichnet,
wie beispielsweise die Reorganisation der
Atome zu einer neuen Kristallstruktur bei
Verringern der Ausdehnung in eine Raum-
richtung.
Die fundamental neuen Eigenschaften tre-
ten aufgrund quantenmechanischer Effekte
(wie z. B. das Tunneln von Ladungsträgern)
auf, werden in der Regel bei sehr kleinen
Längenskalen relevant und können die
Eigenschaften des Materials dominieren.
Einer der aktivsten Bereiche in der heuti-
gen Forschung beschäftigt sich mit dem
Verständnis der physikalischen und chemi-
schen Prozesse von Nanoobjekten. Dafür
gibt es zweierlei Gründe. Einerseits erlau-
ben neue Zugänge zu diesen Größenskalen
einen Einblick in neue Phänomene von
fundamental wissenschaftlicher Bedeu-
tung. Andererseits ist die technologische
Relevanz der gewonnenen Erkenntnisse
enorm und oft besitzt sie direkte Auswir-
kungen auf industrienahe Forschung.
Eine Herausforderung für die Theorie
Das Gebiet der Nanophysik und Nano-
chemie ist für die Theorie sehr attraktiv, da
man dort an der Grenze unseres Verständ-
nisses forscht. Jedoch ist der Nanometer-
bereich, welcher zwischen der Welt der
Moleküle und der des Festkörpers liegt,
nur schwer zugänglich. Während es für
Materialeigenschaften von Molekülen und
Festkörpern akkurate Lösungsansätze gibt,
