Phasenübergänge in der weichen Materia

Die Physik der weichen Materie ist ein sehr aktuelles und rasch expandierendes wissenschaftliches Gebiet; dies liegt sicherlich auch daran, dass weiche Materie in unserem Leben eine wichtige Rolle spielt: Milch oder Mayonnaise, Farben, Tinte oder Schmiermittel, Proteine oder DNA - sie alle sind Beispiele für weiche Materie, denen wir in unserem täglichen Leben sowie in technologischen und biologischen Anwendungen begegnen. Obwohl weiche Materie in unserem Leben eine zentrale Bedeutung hat, war es - vor allem wegen der Komplexität dieser Systeme - bislang sehr schwierig, ihre Eigenschaften systematisch zu untersuchen. Erst in den letzten Jahren, seit der Entwicklung spezieller experimenteller Untersuchungsmethoden und neuer theoretischer Konzepte konnten systematische Untersuchungen der oft faszinierenden Eigenschaften dieser Systeme durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir zur Weiterentwicklung theoretischer Methoden zur Beschreibung weicher Materie beitragen und uns dabei auf eine spezielle Klasse weicher Materialen, auf kolloidale Dispersionen konzentrieren. In solchen Systemen sind mesoskopische Teilchen - wie Polymere, Dendrimere oder Kolloide - in einem mikroskopischen Lösungsmittel gelöst. Im Prinzip stellt die Statistische Mechanik ein ideales Konzept zur Beschreibung dieser Systeme zur Verfügung, das allerdings wegen der großen Zahl der Freiheitsgrade und der Komplexität der mesoskopischen Teilchen nicht direkt angewendet werden kann. Dieses Problem konnte mit Hilfe von `coarse graining` Methoden gelöst werden: durch Mittelung über eine große Zahl von Freiheitsgraden werden effektive Potentiale zwischen `effektiven` Teilchen ermittelt, die dann nur noch von einer kleinen Zahl von Freiheitsgraden - typischerweise von den Schwerpunktskoordinaten - abhängen. Nun kann man geeignete theoretische Konzepte zur Beschreibung der flüssigen und der festen Phase der `effektiven` Systeme anwenden. Dieser Mittelungsprozess führt dabei zu Wechselwirkungen mit besonderen Eigenschaften, was wiederum weitreichende Konsequenzen nach sich zieht: während Potentiale in atomaren Systemen bei kleinen Abständen stark repulsiv sind, sind die effektiven Wechselwirkungen weicher Systeme in der Nähe des Ursprungs oft nur sehr schwach abstoßend. Diese Besonderheit führt zu neuen, faszinierenden und unerwarteten Phänomenen; die Erforschung dieser Eigenschaften stellt sowohl für das Experiment als auch für die Theorie eine besondere Herausforderung dar. Im Rahmen dieses Projektes möchten wir uns bei den theoretischen Untersuchungen der weichen Materie auf zwei zentrale Problemkreise konzentrieren: erstens wollen wir zur Entwicklung von Konzepten beitragen, die eine quantitative Bestimmung der strukturellen Eigenschaften und des Phasenverhaltens weicher Systeme ermöglichen; dies soll zu einem tieferen Verständnis dieser neuen Phänomene führen. Wir werden dabei Verfahren verwenden, die auf Konzepten der Statistischen Mechanik basieren: Flüssigkeitstheorien und Computersimulationen für die fluide Phase und klassische Dichtefunktionaltheorie für die feste Phase. Einerseits können wir dabei auf jene Erfahrungen zurückgreifen, die wir bei Konzepten für atomare Systeme erarbeitet haben; andererseits werden aber auch neue methodische Entwicklungen erforderlich sein, die den besonderen Eigenschaften weicher Systeme Rechnung tragen. Wir werden uns bei diesen Untersuchungen auf Modellpotentiale beschränken: sie sind durch einfache Funktionen mit wenigen Systemparameter beschrieben, beinhalten aber dennoch die wesentlichen Eigenschaften weicher Systeme. Zweitens wollen wir effektive Potentiale für realistische weiche Systeme herleiten - Dendrimere und temperatur-sensitive `core-shell` Mikrogele - und ihre Eigenschaften, insbesondere ihr Phasenverhalten, bestimmen. Dieser Teil des Projekts wird in enger Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus der Physikalischen Chemie durchgeführt. Mit den Arbeiten zu diesem Projekt möchten wir zu einem tieferen Verständnis der komplexen und faszinierenden Eigenschaften der weichen Materie beitragen und hoffen auf diese Weise ein sehr aktuelles und sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet in Österreich zu etablieren, das vielfältige interdisziplinäre Kontaktmöglichkeiten eröffnet.

Die Physik der weichen Materie ist ein sehr aktuelles und rasch expandierendes wissenschaftliches Gebiet; dies liegt sicherlich auch daran, dass weiche Materie in unserem Leben eine wichtige Rolle spielt: Milch oder Mayonnaise, Farben, Tinte oder Schmiermittel, Proteine oder DNA - sie alle sind Beispiele für weiche Materie, denen wir in unserem täglichen Leben sowie in technologischen und biologischen Anwendungen begegnen. Obwohl weiche Materie in unserem Leben eine zentrale Bedeutung hat, war es - vor allem wegen der Komplexität dieser Systeme - bislang sehr schwierig, ihre Eigenschaften systematisch zu untersuchen. Erst in den letzten Jahren, seit der Entwicklung spezieller experimenteller Untersuchungsmethoden und neuer theoretischer Konzepte konnten systematische Untersuchungen der oft faszinierenden Eigenschaften dieser Systeme durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir zur Weiterentwicklung theoretischer Methoden zur Beschreibung weicher Materie beitragen und uns dabei auf eine spezielle Klasse weicher Materialen, auf kolloidale Dispersionen konzentrieren. In solchen Systemen sind mesoskopische Teilchen - wie Polymere, Dendrimere oder Kolloide - in einem mikroskopischen Lösungsmittel gelöst. Im Prinzip stellt die Statistische Mechanik ein ideales Konzept zur Beschreibung dieser Systeme zur Verfügung, das allerdings wegen der großen Zahl der Freiheitsgrade und der Komplexität der mesoskopischen Teilchen nicht direkt angewendet werden kann. Dieses Problem konnte mit Hilfe von `coarse graining` Methoden gelöst werden: durch Mittelung über eine große Zahl von Freiheitsgraden werden effektive Potentiale zwischen `effektiven` Teilchen ermittelt, die dann nur noch von einer kleinen Zahl von Freiheitsgraden - typischerweise von den Schwerpunktskoordinaten - abhängen. Nun kann man geeignete theoretische Konzepte zur Beschreibung der flüssigen und der festen Phase der `effektiven` Systeme anwenden. Dieser Mittelungsprozess führt dabei zu Wechselwirkungen mit besonderen Eigenschaften, was wiederum weitreichende Konsequenzen nach sich zieht: während Potentiale in atomaren Systemen bei kleinen Abständen stark repulsiv sind, sind die effektiven Wechselwirkungen weicher Systeme in der Nähe des Ursprungs oft nur sehr schwach abstoßend. Diese Besonderheit führt zu neuen, faszinierenden und unerwarteten Phänomenen; die Erforschung dieser Eigenschaften stellt sowohl für das Experiment als auch für die Theorie eine besondere Herausforderung dar. Im Rahmen dieses Projektes möchten wir uns bei den theoretischen Untersuchungen der weichen Materie auf zwei zentrale Problemkreise konzentrieren: erstens wollen wir zur Entwicklung von Konzepten beitragen, die eine quantitative Bestimmung der strukturellen Eigenschaften und des Phasenverhaltens weicher Systeme ermöglichen; dies soll zu einem tieferen Verständnis dieser neuen Phänomene führen. Wir werden dabei Verfahren verwenden, die auf Konzepten der Statistischen Mechanik basieren: Flüssigkeitstheorien und Computersimulationen für die fluide Phase und klassische Dichtefunktionaltheorie für die feste Phase. Einerseits können wir dabei auf jene Erfahrungen zurückgreifen, die wir bei Konzepten für atomare Systeme erarbeitet haben; andererseits werden aber auch neue methodische Entwicklungen erforderlich sein, die den besonderen Eigenschaften weicher Systeme Rechnung tragen. Wir werden uns bei diesen Untersuchungen auf Modellpotentiale beschränken: sie sind durch einfache Funktionen mit wenigen Systemparameter beschrieben, beinhalten aber dennoch die wesentlichen Eigenschaften weicher Systeme. Zweitens wollen wir effektive Potentiale für realistische weiche Systeme herleiten - Dendrimere und temperatur-sensitive `core-shell` Mikrogele - und ihre Eigenschaften, insbesondere ihr Phasenverhalten, bestimmen. Dieser Teil des Projekts wird in enger Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus der Physikalischen Chemie durchgeführt. Mit den Arbeiten zu diesem Projekt möchten wir zu einem tieferen Verständnis der komplexen und faszinierenden Eigenschaften der weichen Materie beitragen und hoffen auf diese Weise ein sehr aktuelles und sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet in Österreich zu etablieren, das vielfältige interdisziplinäre Kontaktmöglichkeiten eröffnet.