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Forschungsgebiete in der Physikalischen Chemie

Das Institut für Physikalische Chemie pflegt eine lange Forschungstradition im Bereich der physikalischen Chemie kondensierter Materie, und damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Materialwissenschaft. Die Selbstorganisation von molekularen und mesoskopischen Bausteinen sowie ihre Wechselwirkung spielen für das Materialverhalten eine entscheidende Rolle. Das Verständnis der Übersetzung der hierarchischen Struktur in die physikalischen Eigenschaften von Materialien und dessen Nutzung für die die Materialentwicklung und –optimierung auf verschiedenen Ebenen ist ein Hauptaugenmerk der Forschungsaktivitäten in der Kölner PC.

Beginnend auf der molekularen Ebene werden in der Gruppe von Ulrich Deiters Methoden der statistischen Thermodynamik, insbesondere Computersimulationen, verwendet, um intermolekulare Wechselwirkungen sowie Gleichgewichts- und Transportphänomene in Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemischen zu studieren. Darauf aufbauend werden Vorhersageverfahren für thermodynamische Eigenschaften, insbesondere für Phasengleichgewichte bei hohen Drücken, entwickelt. Die Bildungskinetik von Nanopartikeln, vor allem in überkritischen Fluiden, wird von Thomas Kraska mit  Molekulardynamik-Simulationstechniken untersucht.

Transportphänomene und elektronische Eigenschaften in (Makro-)Molekülschichten und organischen Halbleitern und deren Korrelation mit Strukturparametern sind ein Hauptthema in der Gruppe von Klaus Meerholz. Zu den organoelektronischen Bauteilen, die in seinem Team entwickelt und untersucht werden, zählen organische Leuchtdioden, Solarzellen, Transistoren, organische Speicher und Sensoren. Die zugrundeliegenden photophysikalischen Prozesse und Mechanismen des Ladungstransports in organischen Halbleitern Materialien werden mittels optischer und elektrochemischer Verfahren untersucht. In diesem Zusammenhang werden das Auftreten und die Art der Triplett-Zustände mit Hilfe von zeitauflösender Laserspektroskopie im Verantwortungsbereich von Dirk Hertel untersucht. Selina Olthof beschäftigt sich mit der Entwicklung photoelektronenspektroskopischer Methoden und deren Anwendung für die energetische Optimierung organo-elektronischer Komponenten. Darüber hinaus werden in den Labors von Klaus Meerholz neue Verarbeitungs- und Beschichtungstechniken entwickelt. Die Forschungsaktivitäten im Bereich der organischen Elektronik haben prominente Sichtbarkeit gewonnen, was sich unter anderem in der erfolgreichen Etablierung der Transferplattform COPT sowie in der Verleihung des Max-Delbrück Preises der Universität zu Köln im Jahr 2014 an Prof. Meerholz wiederspiegelt.

Die Forschung von Klas Lindfors  konzentriert sich auf die ultraschnelle optische Spektroskopie von Nanostrukturen. Von besonderem Interesse ist die optische Reaktion von Hybrid-Nanostrukturen. Hierfür werden plasmonresonante Metallnanostrukturen mit Halbleiterheterostrukturen, organischen Lichtemittern und nichtlinearen optischen Materialien kombiniert. In der Arbeitsgruppe werden verschiedene Methoden wie die hochauflösende optische Mikroskopie mit Lumineszenz, Streuung und Transmissionsspektroskopie sowie nichtlineare optische Techniken kombiniert, um Licht-Materie-Wechselwirkungen in einzelnen Nanostrukturen zu untersuchen. Das Fehlen einer Auslöschung von Wellen ermöglicht hierbei eine nanoskalige Untersuchung des Zusammenspiels von Licht und Materie.

Struktur und Dynamik der weichen Materie, insbesondere die Entwicklung von nanostrukturierten, komplexen Materialien aus organischen und anorganischen Komponenten, ist ein Forschungsschwerpunkt in der Gruppe von Annette Schmidt. Unter Verwendung quasi-statischer und dynamischer Methoden wie Rheologie, Lichtstreuung, Magnetometrie und Dunkelfeld-Lichtstreumikroskopie, werden die Modi und Zeitskalen der Wechselwirkungen zwischen den Komponenten untersucht. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für die Entwicklung von selbstheilenden Polymeren und adaptiven Systemen auf Basis adressierbarer Nanopartikel und funktionaler Polymere, und für neue Strategien für Antriebs- und Transport-Systeme auf der Nanometerskala. Die feld- und templatunterstützte Selbstorganisation von Nanostrukturen in dipolaren hochgeordneten Schichten, und die Untersuchung der daraus resultierenden kooperativen Eigenschaften werden in der Gruppe von Sabrina Disch untersucht.

Die derzeitige Forschung von Simone Wiegand konzentriert sich auf das Verständnis von Wasserstoffbrückenbindungen, die für die Chemie des Lebens auf der Erde entscheidend sind. Sie studiert Transportprozesse in wässrigen Systemen, die durch Änderungen der Hydratation Schicht beeinflusst werden. Dazu verwendet sie abbildende und Streumethoden unter isothermen Bedingungen und in Temperaturgradienten. In den letzten Jahren wurde nachgewiesen, dass der Transport in einem Temperaturgradienten auf Veränderungen der Hydratisierung sehr empfindlich reagiert und so verwendet werden kann, um biochemische und pharmazeutische Reaktionen zu charakterisieren. Außerdem hat sich gezeigt, dass die so genannte Thermophorese eine wichtige Rolle im sogenannten  "origin-of-Life-Szenario" spielt.

Insgesamt trägt die Physikalische Chemie wesentlich zum materialwissenschaftlichen Schwerpunkt im Chemie-Department bei. Mehrere Gruppen (Meerholz, Schmidt, Lindfors, Disch, Hertel) sind am Kernprofilbereich "Quantenmaterie und -Material" (QM2) der Universität zu Köln beteiligt. Weitere Kooperationen bestehen mit Gruppen aus der Chemie, Physik, Biologie, Verfahrenstechnik und Medizin an der UzK und anderen Forschungseinrichtungen. Insbesondere ist die Physikalische Chemie eng mit dem Forschungszentruk Jülich verknüpft, vor allem mt den Instituten für Komplexe Systeme 1-3 und der Graduiertenschule IHTS BioSoft.