Forschung

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Molekulare Dynamik und effektive Eigenschaften heterogener Materialen

Forschungsschwerpunkte:

Die Arbeitsgruppe Pelster beschäftigt sich mit der Physik kondensierter Materie, genauer gesagt mit Materie, deren Eigenschaften durch strukturelle Heterogenitäten auf der Skala von Mikro- oder Nanometern bestimmt wird. Dies sind unter anderen Materialmischungen, wie z. B. Nanokomposite oder nanoporöse Systeme, aber auch teilkristalline Polymere. Im Mittelpunkt stehen dabei die dielektrischen, magnetischen und elastischen Eigenschaften solcher Stoffe. Zum einen gehen wir der Frage nach, wie die Mikrostruktur die makroskopischen Eigenschaften bestimmt. Zum anderen geht es darum festzustellen, inwieweit sich Oberflächen- oder Größeneffekte auf die molekulare Dynamik bzw. die intrinsischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten auswirken. Als Untersuchungsmethoden werden breitbandige dielektrische und magnetische Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Ultraschallausbreitung sowie elektromagnetische Feldsimulationen eingesetzt. Darüber hinaus werden Demonstrationsexperimente und Erklärungsmodelle für die Lehre in Schule und Hochschule entwickelt.

Magnetische Eigenschaften von Nanokompositen:

Die Dispersion magnetischer Mikro- oder Nanoteilchen in Polymermatrizes führt zu Materialien mit neuen mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Wir studieren u.a., wie sich die räumliche Anordnung und die Orientierung der Nanopartikel auf die magnetische Permeabilität und insbesondere auf die ferromagnetische Resonanz auswirken.

Molekulare Dynamik und Interphasenbildung in polymerbasierten Nanokompositen: Nanokomposite weisen eine große innere Oberfläche auf, nämlich die Grenzfläche zwischen Nanoteilchen und der Polymermatrix. Auf Grund der geänderten intermolekularen Wechselwirkungen kann es dort zur Ausbildung so genannter Interphasen kommen, deren dielektrischen Eigenschaften wir analysieren.

Ladungstransport in Polymeren oder Nanokompositen: Polymere können intrinsisch leitfähig sein oder diese Eigenschaft durch Dispersion einer weiteren Komponente erlangen (z. B. Kohlenstoff-Nanofasern oder Nanoröhrchen). Wir versuchen den jeweiligen Leitungsmechanismus aufzuklären, d.h. herauszufinden, welche Barrieren den Ladungstransport dominieren (intermolekulare Barrieren, Barrieren zwischen nanokristallinen Bereichen, Agglomeraten, Fasern etc.).

Anisotropie von Mikrostruktur und Eigenschaften in dünnen Polymerfilmen: Teilkristalline Polymere haben vielfältige industrielle Anwendungen, u.a. in der Lebensmittelverpackung, wo sie als Diffusionsbarriere für Sauerstoff dienen. Bei der Herstellung dünner Filme werden diese gestreckt, um ihre mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Wir untersuchen, wie durch Orientierung von Nanokristalliten eine Anisotropie makroskopischer Eigenschaften entsteht.

Molekulare Dynamik und Phasenübergänge bei geometrischer Begrenzung in nanoporösen Systemen („confinement“-Effekte): Wir studieren das Verhalten von Stoffen bei geometrischer Begrenzung (Alkohole verschiedener Kettenlängen, glasbildende Flüssigkeiten, kondensierte Edelgase etc.). Dazu werden die Substanzen in poröse Materialien gefüllt. Die Struktur der Poren kann ganz unterschiedlich sein, die Durchmesser liegen im Nanometerbereich. Somit ist es möglich festzustellen, ob sich bei Einschluß einer geringen Anzahl von Molekülen deren physikalische Eigenschaften durch Größen- oder Oberflächeneffekte ändern.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Hier geht es um die Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung, wie sie beispielsweise von Handys oder anderen Quellen ausgesendet wird. Insbesondere ist von Interesse, ob es in Materie oder Gewebe auf Grund von Heterogenitäten zu einer lokal erhöhten Mikrowellenabsorption kommen kann.