Das Entschlüsseln von Verflechtungen in Weicher Materie

• Antragstellerin: Professorin Dr. Myfanwy E. Evans
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468308535

Verschränkung, ein Konzept, das Knoten, Verbindungen und allgemeinere Verflechtungen von 1-dimensionalen Strängen umfasst, ist ein grundlegendes Phänomen im Zusammenspiel von geometrischer Struktur und makroskopischer Funktionalität verschiedener komplexer und hierarchischer Materialien. Während ein allgemeiner Konsens darüber besteht, dass Verschränkung ein wichtiges strukturelles Merkmal weicher Materialien ist, ist die Quantifizierung und Rolle der Verflechtung noch nicht geklärt. Ich schlage vor, die neue disziplinübergreifenden theoretischen Fortschritte in der geometrischen Konstruktion der Verschränkung in eine präzise Beschreibung und grundlegende Funktionsweise von Materialmikrostrukturen umzuwandeln, die die Verschränkung durchdringen.Die Idee der Verschränkung durchdringt viele Disziplinen in den Wissenschaften, von der Faltung von Proteinen über polymere Materialien bis hin zu verknoteten Molekülen in molekularen Maschinen. Die Herausforderung bei einem so breit gefächerten Konzept besteht darin, systemunabhängige Beschreibungen und Verhaltensweisen zu extrahieren und festzustellen, was wirklich die Funktion der Verschränkung ist. Angesichts der jüngsten Explosion von Synthesetechniken für verknotete Moleküle und DNA-Origami ist die Entwicklung einer theoretischen Grundlage zeitgemäß. Genauer gesagt, stoßen wir auf zwei offene Hauptfragen: Wie können verknotete materielle Mikrostrukturen genau beschrieben werden? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Verflechtung von Mikrostrukturen und der makroskopischen Aktivität?Ich werde diese grundlegenden Fragen, deren Kern in der Physik der weichen Materie liegt, aus der Perspektive der angewandten Geometrie und Topologie behandeln. Dies wird einen weiteren Schritt in Richtung des schwer fassbaren Ziels der geometrischen Struktur-Funktions-Beziehung für verschränkte Materialien darstellen. Dabei werde ich die Kluft zwischen geometrischen Techniken und den Naturwissenschaften überbrücken, indem ich eine Theorie an der disziplinären Schnittstelle entwickle. Die Einführung robuster geometrischer Werkzeuge in die biophysikalischen Wissenschaften wird die Analyse komplexer Systeme auf einer tieferen Ebene erleichtern und die Forschungslandschaft verändern, indem eine Verbindung zwischen der mikroskopischen und der makroskopischen Skala geschaffen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen