Strukturbildung, Dynamik und Ladungstransport in ionischen Flüssigkeiten und Ionogelen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Blochowicz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417469938

Ionische Flüssigkeiten (ILs, ionic liquids) sind bei Raumtemperatur flüssige Salze mit zahlreichen ungewöhnlichen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen, z.B. in der Elektrochemie und Energietechnik. Viele ionische Flüssigkeiten neigen aufgrund ihres amphiphilen molekularen Aufbaus zur mesoskaligen Selbstorganisation und Strukturbildung (Bildung polarer/apolarer Domänen), die wiederum den Ionentransport und die molekulare Dynamik beeinflusst. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Strukturbildung in der ionischen Flüssigkeit einerseits und der molekularen Dynamik und dem Ladungstransport andererseits zu verstehen, mit besonderem Augenmerk auf Kopplungs- bzw. Entkopplungsphänomenen von Strukturrelaxation und Ladungstransport in diesen Systemen. Daher sollen in dem Projekt systematisch ILs mit unterschiedlicher Tendenz zur Strukturbildung (realisierbar z.B durch Variation von Alkylketten des Kations oder durch Zugabe kleiner Mengen an Lösungsmittel) im Hinblick auf Dynamik und Ionentransport untersucht werden. In einem zweiten Schritt ist geplant, ILs in Ionogelen zu studieren. Letztere entstehen auf der Basis von ILs unter Zugabe unterschiedlicher Netzwerkbildner. Diese Materialien weisen hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig nahezu festkörpertypische mechanische Eigenschaften auf und sind dadurch für Anwendungen besonders interessant.In den Ionogelen soll die Auswirkungen innerer Oberflächen auf die Domänenbildung sowie auf Dynamik und Ladungstransport geklärt werden. Es wird erwartet, dass dies besonders dann zu interessanten Effekten führt, wenn die Längenskala geometrischer Einschränkung durch den Netzwerkbildner in die Größenordnung der Domänen in der ionischen Flüssigkeit kommt.Methodisch soll in vorliegendem Projekt die depolarisierte dynamische Lichtstreuung im Vordergrund stehen, die, unbeeinflusst von Ladungs- und Polarisationsphänomenen, die molekulare Reorientierung erfasst. Eine Kombination verschiedener Lichtstreutechniken (Photonenkorrelations-, Tandem-Fabry-Perot-, Ramanspektroskopie) erlaubt es uns dabei, den kompletten relevanten dynamischen Bereich von 1 mHz bis ca. 10 THz abzudecken. Parallel dazu soll breitbandige dielektrische Spektroskopie (1 Mikroherz - ca. 50 GHz) Aufschluss über den Ladungstransport geben. Auf diese Weise ist es möglich, molekulare Dynamik und Ladungstransportphänomene klar voneinander zu trennen. Die temperaturabhängige Strukturbildung kann darüber hinaus mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung verfolgt werden. So erwarten wir, die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Strukturbildung, Ionentransport und Dynamik in ILs und Ionogelen besser zu verstehen, und langfristig dazu beizutragen, dass die Idee eines verständnisbasierten Materialdesigns für ILs realisiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Johan Mattson