Geordnete Strukturen in dipolaren und ferrofluiden Systemen

Dipolare Systeme spielen in zahlreichen anwendungsorientierten Problemen eine wichtige Rolle, wobei das Spektrum von technologischen Fragestellungen bis hin zur Biophysik reicht. Ein tieferes Verständnis der Eigenschaften dipolarer Systeme ist daher nicht nur von rein akademischem Interesse, sondern kann auch in verschiedenen praktischen Anwendungen von Bedeutung sein. Dipolare Teilchen stellen zweifelsohne das ideale Modell dar, das die Eigenschaften dieser Systeme am besten erfasst: sie wechselwirken über ein sphärisch symmetrisches, kurzreichweitiges Potential und über die langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung. Flüssigkeitsphysiker haben sich mit diesem Modell über viele Jahre intensiv beschäftigt. Dabei wurden sehr ungewöhnliche Eigenschaften entdeckt, wie etwa die Kettenbildung bei geringen Dichten oder das Auftreten einer ferrofluiden Phase bei hohen Dichten. Aufgrund der hervorragenden Übereinstimmung zwischen theoretischen Vorhersagen und den experimentellen Ergebnissen, wie sie etwa für Fe3 O4 ermittelt wurden, kann man schließen, dass dipolare Teilchen tatsächlich ein verlässliches Modellsystem darstellen. Trotz all dieser wissenschaftlichen Aktivitäten, die diesem System über viele Jahre gewidmet wurden, bleiben noch immer viele Fragen offen. Dies gilt insbesondere für eine detaillierte Beschreibung der geordneten Strukturen dipolarer Systeme. Im Rahmen dieses Projektes sollen wesentliche Beiträge zu dieser Fragestellung erarbeitet werden: wir wollen die geordneten Strukturen dipolarer Systeme und ihrer thermodynamischen Eigenschaften eingehend untersuchen. Dabei soll insbesondere der Einfluss der kurzreichweitigen Wechselwirkung und der räumlichen Geometrie des Systems untersucht werden. Konkret werden wir Systeme zwischen zwei und drei Raumdimensionen betrachten, also Monolagen, Schichtstrukturen und drei-dimensionale Systeme. Darüber hinaus wollen wir auch die Chiralität dipolarer Systeme berücksichtigen. Die benötigten Methoden zur Lösung dieser Aufgaben lassen sich klar umschreiben: wir benötigen einerseits eine genaue Methode zur Berechnung der thermodynamischen Potentiale (im wesentlichen der Gittersummen) für Systeme mit langreichweitigen Wechselwirkungen, andererseits eine verlässliche und effiziente Optimierungsmethode, die es uns erlaubt, die geordneten Strukturen des Systems bei vorgegebenen äußeren Parametern zu identifizieren. Hier ergänzen sich unsere Kompetenzen mit jenen unserer französischen Kooperationspartner auf ideale Weise: in unserer Gruppe wurden in den letzten Jahren umfassende Arbeiten zur Implementierung eines effizienten und flexiblen Optimierungsalgorithmus gemacht, der auf Ideen genetischer Algorithmen basiert; auf der anderen Seite haben sich unsere französischen Kooperationspartner haben über viele Jahre eine umfassende Expertise bei der Behandlung langreichweitiger Wechselwirkungen in Simulationen und theoretischen Konzepten erarbeitet. Daher können wir bei diesem Projekt auf einen hohen Grad an Synergie bauen, die uns bei der Lösung der ehrgeizigen Projektziele sehr hilfreich sein wird. Mit unseren Beiträgen werden wir zu einem tieferen Verständnis der geordneten Strukturen in dipolaren Systemen beitragen. Wir wollen insbesondere die Stabilität dieser Strukturen untersuchen und jene Mechanismen identifizieren, die für den Schmelzprozess verantwortlich sind. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie eine drei-dimensionale Struktur aus einer Monolage wächst. Obwohl unsere geplanten Forschungsaktivitäten der Grundlagenforschung zuzuordnen sind, erwarten wir, dass dennoch einige unserer Ergebnisse in einer für spätere Jahre angestrebten Kooperation mit experimentellen und industriellen Grupppen von Relevanz sein werden.

Systeme mit langreichweitigen Wechselwirkungen sind in unserem täglichen Leben omnipräsent: Viren, DNA, Proteine oder Makromoleküle der Weichen Materie sind nur einige wenige Beispiele. Ein wesentliches gemeinsames Merkmal dieser mesoskopischen Moleküle ist ihre Fähigkeit, sich in größeren, komplexen Einheiten anzuordnen, die den Gesetzen der Natur folgend wohldefinierte Funktionalitäten aufweisen. Diese besondere Fähigkeit leitet sich im wesentlichen aus einer gemeinsamen Eigenschaft ab: alle diese Teilchen sind geladen oder tragen höhere elektrische oder magnetische Momente, wodurch sie fähig sind, über sehr selektive langreichweitige Wechselwirkungen zu interagieren. Ziel dieses Projektes war es, zu einem tieferen Verständnis beizutragen, wie diese Langreichweitigkeit die Selbstorganisationsfähigkeiten der Moleküle beeinflusst. Ein derartiges Wissen ist unerlässlich, wenn man die auftretenden Selbstorganisationsszenarien interpretieren und verstehen will. Diese Kenntnis ist aber auch relevant, wenn man diese besondere Fähigkeit der Teilchen konstruktiv nützen will, um etwa in einer für das materials design typischen bottom-up Strategie Teilchen so zu synthetisieren, dass sie sich in Einheiten mit maßgeschneiderten Eigenschaften selbstorganisieren. Unsere Untersuchungen basieren auf theoretischen Konzepten: einerseits haben wir Computersimulationen verwendet, die die Bewegungen von Teilchen am Computer nachvollziehen; andererseits haben wir sehr spezielle Optimierungsmethoden verwendet, die auf effiziente und hochverlässliche Art das Minimum der thermodynamischen Eigenschaften bestimmen können, was wiederum zu den (geordneten) Gleichgewichtsstrukturen führt; diese Optimierungsverfahren basieren auf Ideen evolutionärer Algorithmen. Die Erkenntnisse, die wir im Rahmen unseres Projektes gewonnen haben, lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: die Langreichweitigkeit der Wechselwirkungen, die wiederum auf multi-polaren Eigenschaften zurückzuführen ist, stellt einen wesentlichen Aspekt dar, auf dem die Fähigkeiten der Teilchen zur Bildung von sehr stabilen, stark ortientierungsabhängigen und selektiven Wechselwirkungen basieren; somit wird die Bildung von überaus komplexen funktionalen Einheiten möglich, die mit konventionellen Makromolekülen sehr schwer herstellbar wären. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass geeignet synthetisierte Teilchen (etwa mit einer speziellen Oberflächendekoration) schließlich zu maßgeschneiderten Strukturen im Sinne der computational materials science führen können. Im Rahmen unserer wissenschaftlichen Arbeiten konnten wir neue, verlässliche und stabile numerische Konzepte erarbeiten, die in zukünftigen Untersuchungen in diesem Forschungsgebiet sehr nützlich sein werden.