Forschungsprojekte: Gesamtliste
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Wechselwirkung mit Oberflächen und Dynamik von molekularen Spinsonden als Gäste in maßgeschneiderten Organosilikaten als poröse Wirtsmaterialien für die Chromatographie.Der Stofftransport in, durch und aus porösen Feststoffen spielt eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen in der Verfahrenstechnik, z.B. der Chromatographie. Es handelt sich um einen hierarchischen Prozess, der mehrere Längen- und Zeitskalen umfasst. Auf der molekularen Skala, im Bereich weniger Nanometer und Picosekunden, kommt es zu einem komplexen Wechselspiel zwischen Gast-Lösungsmittel und Gast-Porenwand Wechselwirkungen, was maßgeblich die Mobilität der Gäste in den porösen Stoffen bestimmt. Ein umfassendes und skalenübergreifendes, experimentell untermauertes Verständnis zum Transport gelöster, molekularer Spezies in (funktionalisierten) porösen Matrices ist unverzichtbar, um statt empirischer Ansätze ein gezieltes Design der porösen Stoffe für entsprechende Anwendungen (z.B. Chromatographie) realisieren zu können. Es ist aber sehr schwierig mit einer ausreichenden temporalen und spatialen Auflösung in die Poren bei technisch relevanten Bedingungen (im Lösungsmittel und bei T >= R.T.) "hineinzuschauen". Wir konnten für diesen Zweck sehr gewinnbringend die Elektronenspinresonanz- (ESR) Spektroskopie als analytisches "Auge" etablieren. Zum einen werden wir nun die ESR-Methodik weiterentwickeln, um noch genauere und vor allem Skalen-übergreifende Erkenntnisse zur Diffusion molekularer Spinsonden in den Poren zu erhalten. Desweiteren werden wir eine direkte Verschränkung mit der Synthese maßgeschneiderter, poröser Materialien anstreben, um einen viel präziseren Einfluss auf den Massetransport gelöster Spezies vornehmen zu können. Wir werden uns der spannenden Frage von Nachbargruppeneffekten widmen, welche zusätzlich zu den Aktivkomponenten vorhanden sind, wobei letztere direkt an der Gast-Oberfläche Wechselwirkung teilnehmen. Wir erwarten, dass die Mobilität der Gastmoleküle zwar hauptsächlich von der Oberflächendichte der Aktivkomponenten beeinflusst wird, dass die Nachbargruppen z.B. durch lokale Beeinflussung der Lösungsmitteleigenschaften aber ebenfalls signifikante Bedeutung haben. Die erforderlichen, systematischen Variationen der Oberflächeneigenschaften werden wir durch bifunktionelle Organosilikatmaterialien erreichen, wobei auf Grund des hohen Innovationsgrades die Materialien mit chemischen Gradienten in Kombination mit bildgebender Gradienten-ESR-Spektroskopie einen substantiellen Erkenntnisgewinn versprechen. Das bildgebende Verfahren erlaubt es, die spektroskopische Signatur der Gäste an jedem Punkt im porösen Material zu erfassen, daraus auf die lokale Dynamik und Mobilität zu schließen, und gleichzeitig kann der Stofftransport durch das poröse Medium auf der makroskopischen Skala analysiert werden. Die direkte Korrelation zwischen molekularem und makroskopischem Transport wird abschließend die Untersuchung der Trennung eines Stoffgemisches ermöglichen, spektroskopisch durch Verwendung zweier unterschiedlicher Spinsonden und im Realfall durch eine chromatographische Messung.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2013Förderung: DFGLaufzeit: 5 Jahre
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Materials World Network (MWN) for Particle-mediated Control Over Crystallization: From the Pre-nucleation Stage to the Final CrystalA Materials World Network (MWN) will be formed to investigate mechanisms of particle-mediated crystallization through which mesocrystals — crystals structured on the mesoscale — are created. In biomineral systems, mes-ocrystal formation is a widespread phenomenon mediated by biomolecules and leading to the hierarchical organization commonly associated with these materials. Our ultimate goal is a mechanistic understanding of this process and a set of principles to guide biomimetic strat-egies to create hierarchically organized materials (e.g. bioceramics, photonic solids, energy harvesting materials). The value added by the international collaboration is that it facilitates this goal by combining expertise in chemistry and growth of mesocrystals with capabilities in high-resolution in situ imaging, measurement of interactions, determination of structure, and modeling and simulation from the atomic to mesoscale. Using the calcium carbonate, iron oxide and calcium-silicate hydrate (C-S-H) systems combined with polymers, the project will pursue three thrusts, structured around the key scientific questions: Thrust 1: The pre-nucleation stage, nucleation of primary nanoparticles and intermediate phases - The nature of pre-nucleation clusters will be determined using ion potential measurements, titration and ultracentrifugation. Their solution interaction dynamics will be probed through liquid cell TEM. Thrust 2: Interactions forces between nanocrystals and organic mediators of mesocrystal formation – The interactions responsible for particle co-orientation and reorientation will be determined through a combination of dynamic force spectroscopy (DFS) and modeling. DFS will provide a direct measure of the free energy of the orientation dependent crystal-crystal and -polymer interactions. Experimental measurements are supported by molecular model-ing, which allows us to determine molecular details of the effective interactions and provides parameters for the phase field calculations in Thrust 3. Thrust 3: Post-nucleation particle ag-gregation and co-orientation – The kinetics of particle aggregation, crystallographic orienta-tions of the aggregating particles as a function of time, and structural evolution of mesocrys-talline aggregates will be investigated by liquid cell TEM and ex situ HRTEM. Emphasis will be placed on distinguishing between oriented attachment and orientation following random aggregation either through whole-particle rotation or atomic-scale ripening. These data will be compared to phase-field models of mesocrystal assembly that utilize the interaction energies determined in Thrust 2.Leitung: Prof. Dr. H. Cölfen, Prof. Dr. D. Gebauer, Prof. Dr. H. EmmerichJahr: 2013Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)Laufzeit: 2013-2017
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Von der Geburt bis zum Wachstum von metastabilen Metalloxiden in Ionischen FlüssigkeitenEs ist in der Chemie allgemein bekannt, dass die Energie von Übergangzuständen durch das umgebende Lösungsmittel beeinflusst werden kann und man so auch auf den Reaktionsverlauf einwirken kann. In den Materialwissenschaften können nanodimensionierte Keime als solche Übergangszustände angesehen werden, die für die Steuerung der Partikelform oder von alternativen Kristallstrukturen eingesetzt werden. In beiden Fällen ist man sehr oft an thermodynamisch weniger begünstigten, d. h. metastabilen Produkten interessiert, im vorliegenden Fall also ungewöhnlichen Formen oder Polymorphen. Neben der Kristallstruktur bedingt auch die Form eines Partikels seine Eigenschaften, da diese mit der Art und Häufigkeiten bestimmter, zu Netzebenen korrespondierender Oberflächen korreliert. Um die genannten, metastabilen Produkte erhalten zu können, ist es notwendig die festen Phasen durch kinetisch kontrollierte Reaktionswege generieren zu können. Die Hauptaufgabe des Projektes besteht in der Untersuchung der Effekte von hochpolaren, aber nicht-wässrigen Lösungsmittelumgebungen (Ionische Flüssigkeiten) auf die Bildung von metastabilen Partikelzuständen: Formen, welche von der thermodynamisch stabilsten Form (Wulff-Form) abweichen, und die Ausbildung von polymorphen Kristallstrukturen. Wir werden die genannten, kinetisch-kontrollierten Bedingungen durch die Kombination von Molekülchemie mit Materialsynthese und verfeinerten in situ-Untersuchungen realisieren. Es werden von uns hochreaktive Organometallprecursoren eingesetzt werden, um wichtige Metalloxide mit Halbleitercharakter z. B. Zinkoxid (ZnO) oder Manganoxide (MnxOy) herzustellen. Eine besondere Herausforderung stellt die Synthese von neuartigen Precursoren dar, die in einem Molekül widerstrebende Gruppen enthalten (z. B. oxidierend und reduzierend). Dadurch soll die Bildung von Partikeln bereits bei sehr niedrigen Temperaturen, nahe Raumtemperatur oder darunter, oder sogar durch nicht-konventionelle Trigger wie Licht initiiert werden. Wir werden eine fundierte Wissensbasis nicht nur dadurch erarbeiten, dass die erhaltenen Produkte genauestens untersucht werden, sondern auch dadurch, dass umfangreiche Röntgen-Streuuntersuchungen (Klein- und Weitwinkel) in einem in situ-Modus durchgeführt werden. Hier kommt der Vorteil der genannten Übergangsmetalloxide zum Tragen, da diese eine höhere Elektronendichte im Vergleich zu den organischen, ionischen Flüssigkeiten aufweisen und somit Streuuntersuchungen mit hoher tempospatialer Auflösung ermöglicht werden. Wir werden somit die sehr frühen Abschnitte der Bildung der Partikel beobachten, um der Frage nachzugehen, an welchem Punkt die Festlegung von Partikelform und Kristallstruktur geschieht.Leitung: Professor Dr. Sebastian Polarz, Professor Dr. Bernd SmarslyJahr: 2014Förderung: DFGLaufzeit: 4 Jahre
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Inorganic surfactants with multifunctional headsSurfactants are molecules of enormous scientific and technological importance, which are widely used as detergents, emulsifiers or for the preparation of diverse nanostructures. Fascinating abilities regarding the formation of self-organized structures, like micelles or liquid crystals, originate from their amphiphilic architecture, which comprises a polar head group linked to a hydrophobic chain. While almost all known surfactants are organic, a new family of surfactants is now emerging, which combine amphiphilic properties with the advanced functionality of transition metal building blocks. The current project aims at the synthesis of unique inorganic surfactants (I-SURFs), which contain multinuclear, charged metal-oxo entities as heads, and their exploration with regard to additional redox, catalytic or magnetic functionalities. A particular challenge is the creation of smart surfactant systems that can be controlled via external stimuli. While thermotropic liquid crystals and their adjustment in electric fields (enabling LCDs) have been studied in depth, very limited research concerns the control of self-assembled amphiphilic structures by use of magnetic fields. It is obvious that exposure to a magnetic field has inherent advantages over electric fields for controlling structures in water. I-SURFs with single-molecule magnets as heads will be thus prepared and studied. Another groundbreaking task is the creation of I-SURFs with additional catalytic activities. Since catalytic heads can be positioned via self-organization, for instance on the surface of micellar aggregates, catalytic relay systems can be assembled with a second catalytic species in proximity to the first. Thus, cooperative effects in catalytic tandem reactions will ultimately be observed. These examples show that frontier research on I-SURFs is of outstanding relevance for supramolecular science and will certainly pave the way toward new technological applications with great benefits to society.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2014Förderung: ERCLaufzeit: 5 Jahre
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Advanced Hybrids of Calcium Carbonate and NanocelluloseLeitung: Prof. Dr. D. GebauerTeam:Jahr: 2014Förderung: Baden-Württemberg Stiftung (Stuttgart)Laufzeit: 2014-2017
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Morphosynthese von keramischen, halbleitenden und ferroelektrischen NanokristallenFür partikelbasierte Materialien aus definierten Nanokristallen ist es sehr wichtig zunächst die Eigenschaften der Baueinheiten präzise einstellen zu können, z.B. indem es gelingt die Form auf die intrinsische Anisotropie des Kristallsystems abzustimmen. Dies soll durch die Synthese und Verwendung spezieller Tensid-artiger Additive geschehen, die für die Wechselwirkung mit anorganischen Oberflächen maßgeschneidert und bei der Morphosynthese von oxidischen und nicht-oxidischen Halbleitermaterialien mit ferroelektrischem Charakter eingesetzt werden. Zudem sollen die elektronischen Eigenschaften durch Dotierung bei gleichzeitiger Formkontrolle angepasst werden.Leitung: Prof. Dr. Sebastian PolarzJahr: 2016Förderung: DFG
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Formabhängige Eigenschaften anisotroper magnetischer PartikelZiel des Projektes ist das Verständnis, in wie weit die Eigenschaften von magnetischen Nanopartikeln durch Ihre Form bestimmt werden. Dazu werden Teilchenensemble aus maßgeschneiderten, oxidischen Ferro-, Ferri- oder Anitiferromagneten untersucht. Ein kombinierter Ansatz wird verwendet, der die Synthese von Partikeln mit wohldefinierter Morphologie mit analytischen Methoden und Computersimulationen der zu erwartenden komplexen Spinstrukturen vereint. Fernziel ist die Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien auf der Basis der Morphologie der zu Grunde liegenden Nanopartikel.Jahr: 2016Förderung: DFG
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PartikelanalysezentrumNeben der Synthese von formanisotropen Nanopartikeln in den einzelnen Teilprojekten ist deren präzise Charakterisierung und gegebenenfalls Aufreinigung in Bezug auf Größen- und Formverteilung von erfolgskritischer Bedeutung für den gesamten SFB. Das Partikelanalysezentrum bündelt die Expertise im Bereich der Partikelcharakterisierung und der Fraktionierung. Die verschiedenen Methoden (u.a. PXRD, SAXS, AUC, Lichtstreuung und präp. Ultrazentrifugation) werden angewandt und den Wissen¬schaftlern des gesamten SFBs zur Verfügung gestellt.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2016Förderung: DFG
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Die Entstehung anisotroper Partikel während der Mineralisation von Calciumcarbonat und -phosphatCalciumcarbonat und -phosphat verhalten sich während der Fällungsfrühphasen sehr unterschiedlich, insbesondere in Hinblick auf die früheste Ausbildung morphologischer Anisotropie. Im Rahmen dieses Projektes werden zeitaufgelöste in situ Methoden verwendet, um die hierbei wesentlichen Schlüsselfaktoren zu beleuchten. Das Ziel ist, ein besseres Verständnis der Polymorphie- und Morphologiekontrolle in Kristallisationsprozessen zu erlangen, um Wege zur zielgerichteten Darstellung kolloidaler Bausteine zu ebnen.Leitung: Prof. Dr. D. Gebauer and Prof. Dr. K. HauserJahr: 2016Förderung: DFG
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Bifunktionelle Hybridnanopartikel über gesteuerte Calciumcarbonat-Kristallisation auf gentechnisch veränderten ProteinoberflächenDieses Projekt hat die genau bestimmte Darstellung strukturell und funktionell anisotroper Nanohybridpartikel bestehend aus Calciumcarbonat und maßgeschneiderten, gentechnisch veränderten Proteinen über nicht-klassische Kristallisationspfade zum Ziel. Mittels iterativen Proteindesigns und sorgfältiger Untersuchungen der Effekte auf die in vitro Calciumcarbonat-Kristallisation werden die essentiellen Faktoren dieses komplexen Prozesses identifiziert. Dies ebnet auch den Weg zum Verständnis einer zielgerichteten Darstellung von Partikelüberstrukturen über Selbstassemblierung.Leitung: Prof. Dr. D. Gebauer, Prof. Dr. A. MarxJahr: 2016Förderung: DFG
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Control of crystallisation in mineralsThis project aims to increase our knowledge of the processes of mineral formation and crystallisation. Minerals play a vital role in our environment, for example as reservoirs for carbon dioxide, while also substantially contributing to the Australian economy. Conversely, undesirable formation of minerals can be detrimental to industries from the oil/gas sector through to desalination. Despite the benefits that would come from controlling such crystal growth, progress has been limited by the lack of a complete understanding of how minerals form at the microscopic level. This project aims to combine computer simulation, using the latest petascale resources, with experimental data to yield knowledge that would allow us to manipulate minerals, such as calcium carbonate, with the same control found in nature.Leitung: Prof. Dr. J. D. GaleTeam:Jahr: 2016Förderung: Australian Research CouncilLaufzeit: 2016-2019
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Funktionelle Grenzflächenadditive als Energieventile in Partikel-basierten Gradientenstrukturen aus organisch-anorganischen PerowskitphasenSogenannte Hybride Perowskite z.B. CH3NH3PbX3 (X = Hal) sind auf Grund ihrer herausragenden Halbleitereigenschaften seit Kurzem in den Fokus der internationalen Forschung gerückt. Ein besonderes Merkmal ist, dass die Bandlücke stufenlos durch Substitutionen im Anionengitter eingestellt werden kann und direkt von der Schichtdicke der Perowskitschichten abhängt. Im letzteren Fall wird eine organische Phase als integraler Bestandteil in den Kristall eingebaut (Ruddlesden-Popper Phasen, RPPs), ein Phänomen, was man für andere Halbleiter so nicht findet. Gerade für RPPs hat daher das Design der inneren und äußeren Grenzflächen eine herausragende Bedeutung. Für Alkylammoniumverbindungen als Grenzflächenadditive sind RPPs etabliert und gut untersucht. Aufgrund des elektrisch isolierenden Charakters der Alkyl-basierten Systeme ist man aber daran interessiert, zu funktionellen Grenzflächenadditiven (FGAs) überzugehen. Hier setzen wir an, wobei das vorgeschlagene Forschungsprojekt die organische Synthese neuartiger FGAs und deren Verwendung für die Präparation von RPP Mikropartikeln beinhaltet. Die FGAs tragen eine kationische Kopfgruppe zur direkten Wechselwirkung mit der Perowskitoberfläche, verknüpft mit einer elektrisch leitfähigen, -konjugierten Seitenkette. Wir wollen darüber hinaus photoschaltbare Einheiten in den FGAs implementieren, um diese im Idealfall als Energieventile in den FGAs zu etablieren. Basierend auf unseren erfolgreichen Vorarbeiten zu Single-Source Vorstufen für hybride Perowskite, Thiophen-basierten und Azobenzol-basierten Systemen sollen die FGAs im 1. Arbeitspaket systematisch weiterentwickelt werden. Im 2. Arbeitspaket erfolgt dann die Herstellung der Mikropartikel, welche ideale Modellsysteme darstellen, um auf Basis von Einzelpartikelmessungen ein besseres Verständnis für das Zusammenspiel im Ensemble zu entwickeln. Abschließend (Arbeitspaket 3) werden die Einzelpartikel mit unterschiedlicher Bandlücke zu Multi-Junction Architekturen mit Gradientencharakter assembliert, um Energiekaskaden in den resultierenden Partikel-basierten Materialien zu erzeugen. Begleitet werden die Arbeitspakete von umfangreichen photophysikalischen Messungen, durch die der intrapartikuläre und interpartikuläre Energietransfer mechanistisch aufgeklärt und quantifiziert wird.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2018Förderung: DFG
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Punkt-Defekt Design und facettierungs-selektive optoelektronische Eigenschaften von dotierten hybriden Perowskit MikrokristallenDefekte können die Eigenschaften eines Halbleitermaterials in negativer aber auch in positiver Weise beeinflussen. Daher ist es für Anwendungen z.B. in der Photovoltaik oder Optoelektronik wichtig, ein genaues Verständnis der Defekt-Eigenschaftskorrelationen zu erhalten. Die Defektdichte hängt nicht zuletzt auch von der Köhäsionsenergie im Festkörper ab und ist deshalb für Materialien wie den hybriden Bleihalogenidperowskiten besonders hoch. In Filmen kommt es vielfach zu Defekten, darunter Punktdefekten, interstitiellen Ionen und Dotierspezies. Grenzflächen innerhalb des Perowskitfilms (Flächendefekte) oder zu Komponenten für die Ladungs-Injektion oder Extraktion sind von herausragender Bedeutung. Hybride Perowskite zeigen eine überraschende Defekttoleranz, und nicht-strahlende Rekombination ist der wichtigste Verlustmechanismus, der minimiert werden muss, um die beste Effizienz eines Devices zu erreichen. Systematische Untersuchungen werden durch die Komplexität von hybriden Perowskitmaterialien und das technologische Erfordernis zu nachhaltigen, Lösungs-basierten Herstellungsverfahren erschwert. Eine spezifische Defekt-Architektur konnte bisher nicht erreicht werden. Man benötigt Modellsysteme, um fundamentale Fragen zu Limitierungen und Positionierung von Defekten zu beantworten, und, wie deren Zusammenspiel die elektrischen und photophysikalischen Eigenschaften bestimmt. Das Projekt bringt Expertise in chemischer Synthese (Polarz), Physik von Halbleiternanostrukturen (Schmidt-Mende) und ortsaufgelösten Messungen (Weber, Deschler) zusammen, um folgende Aspekte zu adressieren: Aerosolsynthese von MAPX (CH3NH3PbX3), Rolle von Kristallorientierung und Grenzflächen bzgl. optischer und elektronischer Eigenschaften, Rolle von kontrollierter Dotierkonzentration (Stöchiometrie) in funktionalisiertem MAPX, die neue Fremdelemente enthalten. Wir nutzen ein gasphasen-basiertes Verfahren, bei dem aus einer flüssigen Einkomponentenvorstufe unterschiedlich facettierte Mikrokristalle generiert werden. Da die flüssige Vorstufe ebenfalls als Lösungsmittel wirken kann, können Dotieragenzien gelöst werden, um so entsprechende Punktdefekte einzuführen. Die Vorteile von Mikropartikeln ist, dass auf beliebigen Substraten deponiert Studien an den einzelnen Kristallen und Facetten möglich werden. Mittels C-AFM und zeitaufgelöster Kelvinsondenmikroskopie werden wir den Einfluss der Stöchiometrie und/oder von Defekten auf die lokale elektrische und die ionische Leitfähigkeit untersuchen. Darüber hinaus werden wir mittels korrelierter piezoresponse Kraftmikroskopie (PFM) den Einfluss von ferroelastischen Domänen dokumentieren. Unser Verständnis von elektronischen Eigenschaften und Defekt-Eigenschaftsbeziehungen soll komplettiert werden, indem Messungen mittels hochaufgelöster Photolumineszens-Mikroskopie durchgeführt werden, um auch dynamische Prozesse und radiative Rekombination untersuchen auf ultraschnellen Zeitskalen analysieren zu können.Leitung: Professor Dr. Sebastian Polarz, Professor Dr. Lukas Schmidt-Mende, Ph.D., Professor Dr. Stefan WeberJahr: 2019Förderung: DFG
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Zum Einfluss von supramolekularen Direktoren auf den Oberflächen von porösen Wirten mit chiralen Wänden auf die Dynamik von Enantiomeren als GästenDie chromatographische Auftrennung von chemisch Verbindungen stellt ein wichtiges Anwendungsgebiet von porösen Festkörpern dar. Auf Grund der Verwandtschaft von Enantiomeren ist deren Aufreinigung aufwändig. Der chromatographische Trennprozess ist zu einem Teil statistisch geprägt, da von der großen Anzahl von Kontakten mit der Oberfläche durch Diffusion nur einige in der korrekten Orientierung erfolgen, um einen stereochemischen Unterschied bzgl. der intermolekularen Wechselwirkung zu induzieren. Ein Höchstmaß an Mobilitätsunterschied der zu trennenden Enatiomere bei minimaler Menge der auf den Oberflächen gebundenen, chiralen Selektoren ist wünschenswert. Um neue Konzepte in der stereoselektiven Chromatographie zu identifizieren, ist es hilfreich, einen Blick in einen anderen Bereich zu werfen, den der asymmetrischen Katalyse. Alleinig die Gegenwart eines chiralen Liganden ist nicht ausreichend, um bestmögliche Enantiomerenüberschüsse zu erzielen. Die Kontrolle über die Orientierung der Ausgangsverbindungen zum aktiven Zentrum ist ausschlaggebend. Die Übertragung des letztgenannten Konzepts auf Wirt-Gast-Chemie leitet zu unserer Vision über: Die Generierung von Oberflächen, die in der Lage sind chirale Gäste so zu orientieren, dass die Beeinflussung ihrer Mobilität und somit der enantioselektive Trennungseffekt optimiert wird. Eine zielgerichtete Synthese derartig komplexer Wirtsmaterialien kann nur dann erfolgreich sein, wenn man dem Trennungsprozess mit molekularer Präzision zuschauen kann und die Mobilität von Gästen nahe an chromatographischen Prozessbedingungen quantifizieren kann. Wir konnten in Vorarbeiten zeigen, dass Letzteres durch die Anwendung verschiedener Elektronenspinresonanz- (ESR) Techniken möglich ist. Die Methoden sind nun soweit ausgereift, um detaillierte Informationen zur Trennung in chiralen, Aminosäure-modifizierten Organosilikatmaterialien als Modellsystemen zu erhalten. Im ersten Arbeitspaket wird es um eine Kontrolle über die Confinement-Bedingungen gehen. Es werden neue Templatierungsstrategien vorgestellt, mit denen Organosilikatmaterialien mit enger Porengrößenverteilung im Bereich 50-150 nm erhalten werden können. Die systematische Veränderung der Wechselwirkung zwischen chiralen Nitroxiden als Spinsonden mit den Oberflächen steht im Zentrum des zweiten Arbeitspakets. Wie nicht-chirale Nachbargruppen den Trennprozess beeinflussen und, ob man diese als molekulare Direktoren für die spezifische Orientierung der Gäste einsetzen kann, stellt eine spannende Fragestellung dar. Unsere wichtigste Observable ist der Enantiomerenselektivitätsfaktor alphaT, der aus cw-ESR Messungen zugänglich ist. Darüber hinaus werden auch Koeffizienten für den nanoskopischen und makroskopischen Transport ermittelt werden, z.B. durch bildgebende ESR Spektroskopie. Abschließend möchten wir überprüfen, wie die Erkenntnisse zur Wirt-Gast-Chemie sich in der realen Anwendung niederschlagen, indem HPLC Trennungsexperimente durchgeführt werden.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2019Förderung: DFG
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Exzellenzcluster PhoenixD - Photonics, Optics, Engineering, Innovation across DisciplinesPhoenixD ist eine breit angelegte, disziplinübergreifende Initiative, um Design und Herstellung von Präzisionsoptik neu zu definieren. Sie beruht auf der Verwebung von Optikdesign, Optiksimulation und modernen Produktionsmethoden zu einer einzigen integrierten Plattform, mit der individuelle und hochfunktionelle präzisionsoptische Systeme entworfen und hergestellt werden sollen.Leitung: Prof. Dr. Uwe Morgner, Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang KowalskyJahr: 2019Förderung: DFGLaufzeit: 7 Jahre
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Kooperative Effekte für die Fixierung von Kohlenstoffdioxid in nanoporösen, bifunktionellen OrganosilikatmaterialienAtmosphärisches Kohlenstoffdioxid (CO2) ist ein Beispiel für ein in Fülle vorkommendes Abfallprodukt. Die chemische Verwandlung von Abfallstoffen zu wertvollen Produkten ist enorm wünschenswert, besonders dann, wenn die einzelnen Prozessschritte nicht mit dem Verbrauch von signifikanten Mengen Energie oder anderen Ressourcen verbunden sind. Für den ersten Schritt, die Fixierung von CO2 aus der Gasphase, ist Nachhaltigkeit für das etablierte nasschemische Verfahren nur bedingt erfüllt, die sogenannten Aminwäsche. Der Entwicklung von festen Adsorbentien für CO2 wurde deswegen international großes Interesse entgegengebracht. Für das Wechselspiel von CO2-Bindung und der späteren Abgabe in Folgeschritten und die Regeneration des Materials ist es wichtig, die Adsorptionsenthalpien präzise einstellen zu können. Nanoporöse Silikate, deren Oberflächen mit primären Aminen dekoriert sind, haben sich für die Fixierung von CO2 als sehr vielversprechend erwiesen. In der Literatur werden aber fast ausschließlich Materialien diskutiert, die lediglich eine funktionelle (Amin-) Gruppe aufweisen. Hier setzen wir an. Wir wollen verstehen, wie das CO2 Adsorptionsverhalten verändert wird, wenn eine zusätzliche, dem Amin auf der Oberfläche benachbarte, funktionelle Gruppe vorhanden ist. Das Projekt besteht demnach aus einem Material-synthetischem Teil, in dem entsprechende, bifunktionelle Organosilikataerogele in monolithischer Form hergestellt werden. Eine enge Verschränkung existiert zu einem physikalisch-chemischen Projektteil, in dem das Adsorptionsverhalten mittels (T-abhängiger) volumetrischer und gleichzeitig spektroskopischer Methoden (einschließlich ortsaufgelöster Techniken) unter analogen Bedingungen verfolgt wird. Wir erhoffen uns durch die Korrelation der Daten zu Aufnahmekapazitäten und Adsorptionsenthalpien mit den spektroskopischen und kinetischen Daten zu Aussagen zu kommen, welche Nachbargruppen zu besonders starken Effekten führt und warum. Nachdem zunächst vielversprechende Kombinationen von Amin- und Nachbargruppen identifiziert wurden, spannt sich ein weiterer Parameterraum auf, da die relative Häufigkeit beider Gruppen zueinander ebenfalls sehr wichtig ist. Wir werden diesen Parameterraum untersuchen, indem neuartige Materialien mit chemischen Gradienten eingesetzt werden, in denen sich die Dichte einer der Komponenten systematisch entlang einer Ortskoordinate ändert. Zum Aufbau der Gradienten werden die Monolithe mittels der Klickchemie (Azid-Alkin; Thiol-Alken) anisotrop modifiziert. Die so erhaltenen Materialien können nun mittels der IR-Mikroskopie ortsaufgelöst in Bezug auf die Aufnahme von CO2 analysiert werden, wobei die vorhandene Direktionalität eine weitere, hochinteressante Forschungsperspektive bietet. Das Vorhandensein eines Gradientenmaterials eröffnet weitergehende Forschungsperspektiven, z.B. die Untersuchung von direktionalem und anisotropen Stofftransport in den Materialien.Leitung: Professorin Dr. Karin Hauser und Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: DFG
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Hierarchical Nanomaterials with Biological Functions for Anti-Biofilm Applications and Localized ToxicityLeitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: Dr. K. H. Eberle Stiftung
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Neue Funktions-materialien mit gerichteter Porositäts-struktur.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: Carl-Zeiss Stiftung
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Nachhaltige Synthese dünner Schichten für die EnergietechnikLeitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: Carl-Zeiss Stiftung
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Poröse Superkristalle über biomimetische Strukturbildungsprozesse polarer Nanokristalle und ihre Anwendung in effizienten Solarzellen.Leitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: Baden-Württemberg Stiftung
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Poröse Materialien zur Speicherung von ChlorLeitung: Professor Dr. Sebastian PolarzJahr: 2020Förderung: Covestro AG
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Nukleations- und Kristallisationskontrolle von Al(III)(oxy)(hydr)oxiden: Zugang zu fortschrittlichen MaterialienDie Chemie des Aluminiums ist in vielen Bereich aktueller Forschung von zentraler Bedeutung, insbesondere zu nachhaltigen Energiequellen, organometallischen Hybdridmaterialien, Impfstoffformulierungen, Abwasserbehandlung oder der Versäuerung von Böden und Gewässern im Zuge des Klimawandels, und vielen mehr. Der möglicherweise wichtigste Aspekt betrifft den negativen Einfluss von Aluminium auf unsere Gesundheit, dessen wissenschaftliche Erklärung unklar bleibt. In allen genannten Bereichen scheint die Bildung von Aluminium(oxy)(hydr)oxiden (AlOx) eine zentrale Rolle zu spielen. Jedoch bleiben die physikalisch-chemischen Bedingungen, die zur Phasenseparation führen, sowie der Nukleationsmechanismus an sich, weitgehend unklar. Während bekannt ist, dass bestimmte Anionen oder organische Moleküle die Hydrolyse-(Polymerisations)-Nukleations-Kaskade beeinflussen —über eine (De-/) Stabilisierung bestimmter Al(III) Spezies oder Beeinflussung des pH Wertes während der AlOx-Bildung— ist die Datenlage zum Einfluss von Kationen spärlich. Es scheint keine intuitive Erklärung ihrer Rolle während der Hydrolyse/Kondensation von Al(III) zu geben. Wir stellen hier ein Projekt vor, das eine fundamentale Verbesserung des Verständnisses des Nukleationsmechanismus von AlOx und der Wege, wie dieser Prozess kontrolliert werden kann, zum Ziel hat. Dies basiert auf dem Wissenstand in der Literatur und Vorarbeiten zum AlOx Nukleationsmechanimus sowie zur Rolle von Calciumionen. Ein Schwerpunkt liegt auf diesem Kation, das eine Schlüsselrolle in biochemischen Signalwegen und der Nervenfunktion spielt, und somit mit den schädlichen Effekten von Aluminium auf unsere Gesundheit zu tun haben könnte. Ferner werden wir die Rolle von organischen Zusätzen untersuchen, die in den oben genannten Bereichen wichtig sind: Fumarsäure, verschiedene Polycarboxylate und die Polyphenolsäure Ellagsäure. Unser Forschungsplan basiert auf der Verwendung komplementärer Methoden, d.h., fortschrittliche potentiometrische Titrationen, Isotherme Titrationskalorimetrie, NMR, Analytische Ultrazentrifugation, Elektronemikroskopie und mehr. Wir definieren fünf Meilensteine, wobei die erste Projekthälfte der detaillierten Speziierung der Frühstadien der AlOx Bildung mit und ohne die Zusatzstoffe dient. Wir zeigen, dass dieses Ziel erreichbar ist und dann ermöglicht, in den weiteren Meilensteinen detaillierte Einblicke in die Wechselwirkungen von AlOx Vor- und Zwischenstufen sowie Feststoffen mit den Additiven zu erhalten. Die Vision ist, Korrelationen zwischen Additivstrukturen und -effekten auf die AlOx-Bildung zu finden, als einen ersten Schritt zur Etablierung einer Additiv-Bibliothek zur zielgerichteten Materialsynthese. In jedem Fall wird dieses Projekt ein fundamental verbessertes Verständnis der wässrigen Chemie des Al(III) ermöglichen, das nötig ist, um Anwendungen von Aluminium in verschiedenen aktuellen Bereichen weiterzuentwickeln —insbesondere hinblicklich des schädlichen Gesundheitseinflusses.Leitung: Prof. Dr. D. GebauerJahr: 2021Förderung: DFG
