Skalenübergreifende Theorie und Modellierung dipolarer weicher Materie

Im vorliegenden Projekt liegt der Schwerpunkt auf dipolaren Systemen. Die Dipole können dabei völlig unterschiedliche Eigenschaften haben: von polaren Molekülen und zufällig entstehenden Ladungspaaren in ionischen Flüssigkeiten bis hin zu Dipolen, die durch die Anordnung von Spins in einer Kristallstruktur entstehen, und vielen weiteren Systemen. In diesem Projekt werden die folgenden Systeme behandelt: Elektrische Dipole (ultrakalte Moleküle, ionische Flüssigkeiten) und magnetische Dipole (magnetische Flüssigkeiten, magnetische Gele, mikrometergroße, anisotrope magnetische Teilchen, etwa Kolloide mit einer magnetischen Kappe, magnetische Janusteilchen, magnetische Stäbe, Ellipsoide und Würfel). Das Projekt basiert auf einer Verflechtung aus statistischer Physik und verschieden Techniken der Computersimulation. Die Verifikation der Ergebnisse und die Verbesserung der theoretischen Modelle werden in enger Zusammenarbeit mit zahlreichen experimentellen Gruppen durchgeführt. Die Kernidee des Projektes ist, dass all diese Systeme unabhängig von der Größe der dipolaren Bausteine, ähnliche Eigenschaften haben. Dadurch können theoretische Methoden und Simulationswerkzeuge, die für ein System entwickelt wurden, auch auf andere Systeme mit völlig unterschiedlicher charakteristischer Länge anwendbar sein. Es ist also das wichtigste Ziel des Projektes, das Wissen über dipolare weiche Materie auf verschiedenen Skalen zu verbreitern, indem Theorie- und Simulationsverfahren erweitert und verallgemeinert und neue Ansätze entwickelt werden. Obgleich das Projekt theoriebasiert ist, wird es in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren durchgeführt, um einerseits die neu entwickelten Theorien zu verifizieren und andererseits die Entwicklung intelligenter dipolarer Materialien auf verschiedenen Skalen zu unterstützen. In den ersten drei Jahren wird der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Analyse der Mikrostruktur der zuvor genannten Systeme liegen. In den letzten drei Jahren werden mechanische, rheologische und andere makrosopische Eigenschaften der Materialien untersucht. Die Aufteilung in zwei Phasen erlaubt es, die jeweils verwendeten Methoden systemübergreifend einzusetzen und dient so dem Ziel des Projektes, nämlich dem Überbrücken von Skalen im Bereich der dipolaren weichen Materie. Sicherlich werden in dieser Zeit auch weitere Materialien unsere Aufmerksamkeit erregen und das Projekt sinnvoll ergänzen. Wir werden auch in der Lage sein, die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den makroskopischen Eigenschaften dipolarer Systeme zu untersuchen. Im Rahmen des Projektes werden zwei Doktorarbeiten, drei bis vier Postdoc-Projekte, vier bis fünf Diplomarbeiten, eine Habilitation (der Bewerberin), sowie über 20 begutachtete Publikationen entstehen. Im Rahmen des Projektes werden existierende Kooperationen zwischen der Gastgeberinstitution und weiteren Einrichtungen in Österreich, Europa und Russland gestärkt und neue entstehen. Für die Bewerberin bietet das Projekt die Möglichkeit der akademischen Karriereentwicklung in Österreich und eröffnet Perspektiven für eine zukünftige Professur. Es wird sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch bei der Entwicklung neuer Materialien Perspektiven bieten. Zusammenfassend ist das Ziel des Projektes, Erfahrungen im Bereich dipolarer Systeme aus den Feldern Physik, Chemie und Biophysik zusammenzuführen und zu erweitern.

Heutzutage werden Materialien, deren Eigenschaften durch externe Felder mittlerer und niedriger Stärke feinabgestimmt werden können, umfassend untersucht. Von besonderem Interesse sind "grüne" oder umweltfreundliche Systeme und biologisch verträgliche Materialien für den Einsatz in medizinischen Anwendungen. Dafür sind magnetische weiche Materie - Flüssigkeiten und Gele mit magnetischen Partikeln in Nano- oder Mikrometergröße - bestens geeignet. Um ein System mit gewünschter und leicht kontrollierbarer Reaktion auf Magnetfelder zu erhalten, muss man dieses System auf der Ebene seiner Mikrostruktur entwerfen. Experimentelle Studien dieser neuen dipolaren "intelligenten Materialien" erfordern oft ziemlich teure Geräte und Verbindungen und können sich als sehr zeitaufwändig erweisen. Der erste Schritt wäre also, theoretisch vorherzusagen, was die Verbindung zwischen einer bestimmten Mikrostruktur und dem makroskopischen Verhalten des Systems ist. Die Hauptidee des START-Projekts war, dass unabhängig von der Größe der dipolaren "Bausteine" alle diese Systeme - magnetische Flüssigkeiten, magnetische Gele und Elastomere, magnetische und isometrische Kolloide - grundsätzlich ähnlich sind und allgemein gesagt, theoretische Ansätze und Simulationswerkzeuge, die einmal beim Studium eines dieser Systeme entwickelt wurden, könnten anwendbar sein, um dipolare Systeme mit absolut unterschiedlichen charakteristischen Längen zu beschreiben. Das Projekt basierte auf einem feinen Geflecht aus statistischer Physik und verschiedenen Computersimulationstechniken. Die Überprüfung der Ergebnisse und Anpassungen der theoretischen Modelle erfolgte in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen experimentellen Gruppen. Im Rahmen dieses Projekts haben wir die Mechanismen der hierarchischen Selbstorganisation magnetischer Nanopartikel in magnetischen Flüssigkeiten entdeckt und den Einfluss von Temperatur und Partikelkonzentration auf diese Prozesse untersucht. Basierend auf dieser Erkenntnis wurden erste Schritte unternommen, um die Dynamik magnetischer Fluide zu verstehen. Wir haben die Abhängigkeit der mechanischen und magnetischen Eigenschaften des magnetischen Gels und der inneren Struktur des Gels festgestellt. Wir untersuchten die Eigenschaften magnetischer Würfel in Nano- und Mikrometergröße, magnetischer Ellipsoide und Plättchen, magnetischer Janus-Partikel und magnetischer Filamente. Wir haben gezeigt, dass die Form der Partikel eine entscheidende Rolle bei ihrer Anordnung und Reaktion spielt. Wir schlagen den Ansatz vor, aktive magnetische Teilchen zu untersuchen und ihren Antrieb mit externen Magnetfeldern zu steuern. Dieses Projekt trug dazu bei, hochqualifizierte junge Forscher hervorzubringen und magnetische weiche Materie einem breiten Publikum durch Schulworkshops, öffentliche Vorträge und Ausstellungen näher zu bringen. Gleichzeitig eröffnete dieses Projekt eine völlig neue Richtung in der Physik weicher Materie.