SFB 840: Von partikulären Nanosystemen zur Mesotechnologie
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Grand Challenges unserer Zeit - eine nachhaltige, klimaneutrale Produktion von Gütern und Energie, saubere Luft und Wasser, ein generationengerechter Umgang mit Ressourcen, eine sichere Ernährung für eine stets wachsende Weltbevölkerung und ein effizientes, leistungsfähiges Gesundheitssystem für eine alternde Gesellschaft, um nur einige zu nennen - lassen sich nur mit erkenntnisgetriebener Grundlagenforschung adressieren. Diese komplexen Themen lassen sich nicht alleine durch besseres Engineering lösen, sondern ein wesentlicher Beitrag muss von innovativen neuen Materialien erbracht werden. Der Chemie fällt dabei die Rolle einer Schlüssel- und Querschnittswissenschaft zu. Chemiker können nicht nur die nötigen Komponenten zur Verfügung zu stellen, sie sind in der Lage, auch die nötigen Designprinzipien zu entwickeln und die Komponenten in Hinblick auf die gewünschten Funktionen skalenübergreifend zu integrieren. Der Bayreuther SFB 840 war auf diese Herausforderungen unserer Zeit hin ausgerichtet und hat wesentliche Beiträge zur Entwicklung neuer Materialien geleistet, die für die Lösung globaler Probleme hilfreich sein könnten. Dabei sind wir von zwei Kernhypothesen ausgegangen: 1. Die Nanotechnologie hat sich als Querschnittsdisziplin in Naturwissenschaft und Technik etabliert und ist inzwischen als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts allgemein anerkannt. Gemessen an der großen und immer noch steigenden Zahl von Publikationen zur Synthese von Nanopartikeln, Nanostrukturen und Nanotechnologie und dem darin aufgezeigten technologischen Potential solcher Materialien, ist die Zahl der tatsächlich etablierten Anwendungen aber enttäuschend klein. Trotz tausender weltweit gegründeter Start-up Firmen bleibt die Erfolgsquote bisher ernüchternd. Bei etwas genauerer Betrachtung sind die etablierten Produkte auch gar keine nanoskaligen Materialien, sondern prozessbedingte Agglomerate. Der Lückenschluss zwischen Nano- und Makrowelt über eine mehr oder weniger kontrollierte Assemblierung erweist sich als essentiell für eine potentielle Nutzung. Dies gilt umso mehr, als sich mit dieser Vorwärtsintegration auch die in den letzten Jahren zunehmend ins Blickfeld von Zulassungsbehörden, Politik und Gesellschaft gerückten potentiellen Risiken dieser Materialklasse beherrschen lassen. 2. Die kontrollierte Assemblierung von Nanopartikeln eröffnet zudem eine Reihe technologisch relevanter Materialeigenschaften, die nicht genuin auf der Nanoebene begründet sind, sondern erst auf der nächst höheren Längen- und Komplexitätsskala hervortreten. Beispiel für solche emergenten, „meso-immanenten“ Materialeigenschaften, die in diesem SFB bearbeitet wurden, sind kollektive optische Eigenschaften wie vollständige optische Bandlücken bei kolloidalen Quasikristallen, plasmonische Kopplungseffekte oder die nichtlineare Verringerung von Permeabilität und Wasserdampfsensibilität von eindimensional kristallinen, Braggstack-Typ Nanokompositbarrierefolien mit steigendem Füllstoffgehalt. Zur Erschließung des Potentials dieser Mesotechnologie mussten die in den letzten Jahren erarbeiteten signifikanten Fortschritte im Bereich der Nanotechnologie bei der kontrollierten Synthese nanopartikulärer Bausteine (Materialien und Komponenten) ergänzt werden durch die Integration dieser Bausteine in Systeme, deren kollektive Meso-Eigenschaften dann erst neue Anwendungen zugänglich machen. Erst diese Mesotechnologie stellt die entscheidende Schnittstelle zwischen der nanoskopischen und der makroskopischen Welt her. Diese Integration nanoskaliger Bausteine in funktionale, oft hierarchisch strukturierte komplexe Einheiten erfordert, aufbauend auf einem tieferen qualitativen Verständnis, die konzertierte Entwicklung und Beherrschung von Synthese-, Assemblierungs-, Charakterisierungsmethoden und Simulation bzw. Theorie auf allen relevanten Längenskalen (molekular, kolloidal, meso-, und makroskopisch). Die Erarbeitung dieses essentiellen, wissenschaftlichen Fundaments für die Mesotechnologie wurde im SFB 840 entscheidend vorangetrieben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hoffmann M., Wagner C.S., Harnau L., Wittemann A.
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Henzler K., Haupt B., Lauterbach K., Wittemann A., Borisov O., Ballauff M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja909938c) - Barrier Properties of Synthetic Clay with a Kilo-Aspect Ratio. Adv. Mater. 2010, 22, 5245-5249
Möller M.W., Lunkenbein T., Kalo H., Schieder M., Kunz D.A., Breu, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201002559) - Shifting the Equilibrium between the Encounter State and the Specific Form of a Protein Complex by Interfacial Point Mutations. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11487-11495
Volkov A., Bashir Q., Worrall J.A.R., Ullmann M., Ubbink M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja100867c) - General Pathway toward Crystalline-core Micelles with Tunable Morphology and Corona Segregation. ACS Nano 2011, 5, 9523-9534
Schmelz J., Karg M., Hellweg T., Schmalz H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nn202638t) - Self-Assembly of Tunable Nanocrystal Superlattices using Poly-(NIPAM) Spacers. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4668-4676
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Lindner T., Meyer A., Moeller M., Breu J., Stirner M.
- Water-Absorbent Surface-Modified-Clay Linked Polymers. US201113326376 (2011)
Lindner T., Meyer A., Moeller M., Breu J., Stirner M.
- Cavitation Engineered 3D Sponge Networks and Their Application in Active Surface Construction. Adv. Mater. 2012, 24, 985-989
Gensel J., Borke T., Pazos-Pérez N.P., Fery A., Andreeva D.V., Betthausen E., Müller A.H.E., Möhwald H., Skorb E.V.
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201207019) - Sonochemical Activation of AI/Ni Hydrogenation Catalyst. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3128-3135
Dulle J., Nemeth S., Skorb E.V., Irrgang T., Senker J., Kempe R., Fery A., Andreeva-Bäumler D.
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Möller M.W., Kunz D.A., Lunkenbein T., Sommer S., Nennemann A., Breu J.
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Heidebrecht A., Eisoldt L., Diehl J., Schmidt A., Geffers M, Lang G., Scheibel T.
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König T.A.F., Stelling C., Reichstein P.M., Honold T., Thelakkat M., Retsch M., Karg M.
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Fan Z., Köhn Serrano M., Schaper, A., Agarwal S., Greiner A.
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Duan G., Jiang S., Jérôme V., Wendorff J.H., Fathi A., Uhm J., Altstädt V., Herling M., Breu J., Freitag R., Agarwal S., Greiner A.
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Jiang S., Liu F., Lerch A., Ionov L., Agarwal S.
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Stöter M., Gödrich S., Feicht P., Rosenfeldt S., Thurn H., Neubauer J.W., Seuss M., Lindner P., Kalo H., Möller M., Fery A., Förster S., Papastavrou G., Breu J.
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Liu L., Jiang S., Sun Y., Agarwal S.
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Bärwinkel K., Herling M.M., Rieß M., Sato H., Li L., Avadhut Y.S., Kemnitzer T.W., Kalo H., Senker J., Matsuda R., Kitagawa S., Breu J.
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Zehe C., Hill J.A., Funell N.P., Kreger K., van der Zwan K., Goodwin A.L., Schmidt H.-W., Senker J.
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Kronik L.; Kümmel S.
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Wittman T., Mondal A., Tschense C.B.L., Wittmann J.J., Klimm O., Siegel R., Corzilius B., Kaupp M., Weber B., Senker J.
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Thomä S.L.J., Krauss S.W., Eckardt M., Chater P., Zobel M.
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Hahn G., Kunnas P., deJonge N., Kempe R.
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Burgard M., Weiss D., Kreger K., Schmalz H., Agarwal S., Schmidt H.-W., Greiner A.
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Kalo H., Breu J., Stöter M., Daab M.
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Pietsch I., Roschmann K., Deeter G., McGuire M., Feller R., Breu J., Kalo H.
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Zhu Q.L., Dai C.F., Wagner D., Daab M., Hong W., Breu J., Zheng Q., Wu Z.L.
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Kumari S., Lang G., DeSimone E., Spengler C., Trossmann V., Lücker S., Hudel M., Jacobs K., Krämer N., Scheibel T.
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Umeyama D., Leppert L., Connor B.A., Manumpil M.A., Neaton J.B., Karunadasa H.
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Misiak H., Neitzke D., Huebner C., Kinzelmann H., Zhao L., Breu J., Edenharter A., Amschler S.
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Zhu Q.L., Dai C.F., Wagner D., Khoruzhenko O., Hong W., Breu J., Zheng Q., Wu Z.L.
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