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Was ist 'Weiche Materie'?

Dieser Begriff bezeichnet eine große Gruppe von Materialien aus meist organischen Substanzen wie z.B. Polymere, Zusammenlagerungen von kleineren organischen Molekülen, Flüssigkristalle, Kolloide, Emulsionen, Biopolymere und Biomembranen. Dazu gehören auch strukturierte und "grenzflächenbestimmte" Materialien wie Mikroemulsionen, Block-Copolymere, Schäume, usw. Diesen Stoffen ist gemeinsam, daß sie sehr nachgiebig auf schwache äußere Einwirkungen reagieren.

Gut verstanden: Festkörper

Starke interatomare/intermolekulare Wechselwirkungen (200-800 kBT/Molekül)
    wegen elektrostatischen, metallischen oder kovalenten Bindungen
    stabil bei hohen Drücken, Temperaturen, Feldern, ...

Weiche Materie

Schwache, konkurrierende intermolekulare Wechselwirkungen (< 25 kBT/Molekül)
    van der Vaals und elektrostatische Kräfte
    Wasserstoffbrückenbindung
    Molekülgröße und -gestalt
    entropische Kräfte
    hydrophobe Kräfte
    kooperative Effekte
Wann dominiert welche Kraft? ... Sehr komplexe Materialien!
Erstaunlicherweise kann ein kleines äußeres Feld eine Phasenänderung bewirken. Ein bekanntes Beispiel sind die LCD-Anzeigen in Uhren oder in Flachbildschirmen. Aber es ist noch nicht gelungen, viele der bemerkenswerten Materialeigenschaften natürlicher Systeme auf technische Fragestellungen zu übertragen. Denn sie sind noch nicht verstanden.

Was untersuchen wir?

Biomimetische Systeme

Obwohl die Natur beim Aufbau lebender Materie nur wenige chemische Elemente benutzt (H, C, N, O und P mit ein bißchen Na, K, Cs, Cl, F, J, Sr, Ca, Mg, Mn, Fe, Zn) sind Biomaterialien extrem komplex. Eine Bakterienzelle besteht aus rund 6000 verschiedenen Molekülen. Dieser komplexe Aufbau wird dadurch übersichtlich, dass die meisten Biomoleküle Variationen weniger Grundbausteine wie Aminosäuren, Nukleobasen, Fettsäuren, Polyene, Phosphatverbindungen und Zuckermoleküle sind. Biomaterialien entstehen durch Selbstorganisation. Die Form der Bausteine und die Anordnung wasserabstoßender (hydrophober), wasseranziehender (hydrophiler) oder geladener Gruppen bestimmen die entstehenden Strukturen.

Struktur komplexer selbstorganisierter Grenzflächen

realisiert als

Monoschicht an der Wasser-Luft-Grenzfläche

Extern kontrollierbar auf der Filmwaage sind:
Temperatur, Molekulare Fläche, Salzgehalt, Polymere und Proteine der Subphase, (Flüchtige) organische Moleküle auf der Luftseite, ...
Die flüssige Oberfläche ist eine große selbstausheilende Fläche, die verschiedenen Untersuchungsmethoden leichten Zugang bietet. An der Wasser/Luft-Grenzfläche untersuchten und untersuchen wir folgende System:
Die Struktur von Monolayern aus Amphiphilen bestehend aus hydrophilen und hydrophoben molekularen Gruppen. Diese dienen als Modellsysteme für Zellmembranen (Doppelschichten aus amphiphilen Lipiden). 1996 1991
Proteinadsorption am Monolayer (Proteine an der Zellmembran) 1991
Supramolekulare Strukturen
Polymer Lipid Wechselwirkungen 2001 2000
Selbstorganisierende Oberflächen mit kleinem Krümmungsradius bieten

Nanokolloide

Polymeradsorption auf Nanokolloiden (Oberflächenradius ~ Gyrationsradius)
2001 1999


Eng verwandt mit selbstorganisierenden Oberflächen ist die

Physik in eingeschränkten Dimensionen


Strukturübergänge
Struktur adsorbierter Nanokolloid - Polyelektrolyt - Multischichten
2001
Phasenübergänge und Entmischungen,   Kristallnukleation und -wachstum
1998
Schwellen 1999
Benetzung Kommensurabilität


© 1 Mär 2001, Heiko Ahrens

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