HYBRIDIS: Dispersionskräfte in Medien — Ein Hybridansatz aus makroskopischer Quantenelektrodynamik und mikroskopischer Dichtefunktionaltheorie

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Yoshi Buhmann; Privatdozent Dr. Michael Walter
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403680418

Dispersionskräfte sind allgegenwärtige effektive elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen polarisierbaren molekularen Systemen. Sie sind in der Vergangenheit von zwei sehr unterschiedlichen Gruppen von Wissenschaftlern von grundverschiedenen Standpunkten aus untersucht und beschrieben worden: In der physikalischen Chemie war ein mikroskopischer Blickwinkel vorherrschend, demzufolge Dispersionskräfte langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den in den Molekülen enthaltenen geladenen Teilchen darstellen. Von der makroskopischen Perspektive der Quantenoptik aus betrachtet sind sie demgegenüber nur der kurzreichweitige, elektrostatische Spezialfall der vollen quantenelektrodynamischen Wechselwirkung zwischen molekularen Multipolen unter Einfluss von kontinuierlichen Medien und Körpern. Mit dem vorliegenden interdisziplinären Projekt wollen wir die komplementären Stärken der makroskopischen Quantenelektrodynamik und der Dichtefunktionaltheorie zu einer effizienten Beschreibung von Dispersionskräften auf multiplen Skalen zusammenführen, welche den Einfluss von A. polarisierbaren Hintergrundmedien und B. dielektrischen und metallischen Oberflächen beschreibt. Um ein breites Spektrum von experimentell relevanten Systemen studieren zu können, schließen wir hierbei auch angeregte und geladene molekulare Systeme sowie Oberflächenladungen ausdrücklich mit ein. Der neuartige Hybridansatz wird Wissen und Methoden aus physikalischer Chemie und Quantenoptik zu einem kohärenten Ganzen vereinen: Modellannahmen der makroskopischen Quantenelektrodynamik werden mit Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie unterfüttert und die sich ergebenden quantenelektrodynamischen Dispersionspotentiale ermöglichen ihrerseits Dichtefunktional-basierte Untersuchungen von molekularen Ensembles. Der avisierte theoretische Rahmen wird Konfigurationen wie molekulare Vielschichtensembles auf geladenen Oberflächen oder molekulare Wechselwirkungen innerhalb von Nanotropfen unter realistischen Bedingungen beschreiben können. Er wird den gemeinsamen Einfluss von Anregungen, Hintergrundmedien und Oberflächen auf die Dispersionskraft und die hierdurch induzierte kollektive Molekulardynamik einer systematischen Untersuchung zugänglich machen. Damit werden Perspektiven auf neuartige chemische Designprozesse aufgezeigt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einen unmittelbaren Einfluss auf die unterschiedlichsten Disziplinen haben, wie zum Beispiel physikalische Chemie, Kolloidphysik und Zellbiologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen