Kolloidale Teilchen

Verständnis der Dynamik und Selbstanordnung als Forschungsziel

Mit statistischer Physik und modernsten Techniken der Computersimulation untersucht die von der DFG geförderte Nachwuchsgruppe um Arash Nikoubashman Kolloide im Fluss.

Simulationsschnappschuss von einem Kolloid-Polymer-Gemisch unter Fluss: Die Kolloide haben sich in das Zentrum des Kanals abgesetzt. (Bild/©: Arash Nikoubashman)

Die neue Mainzer Emmy Noether-Gruppe um den Physiker Dr. Arash Nikoubashman zielt darauf, den Transport und die kontrollierte Anordnung kolloidaler Teilchen grundlegend zu verstehen. Kolloide im Fluss, also winzige Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert, sind allgegenwärtig in Natur und Technik, seien es beispielsweise Proteine und Enzyme in biologischen Systemen oder Tenside in der Prozesskette der Erdölgewinnung.

Die Selbstanordnung dieser Teilchen in regelmäßige Gruppen lässt sich vielversprechend nutzen, um Materialien mit nanoskopischen Merkmalen herzustellen. Derartige Stoffe werden beispielsweise als Katalysatoren und optische Bauelemente verwendet. Spontan geformte Strukturen weisen allerdings meist zahlreiche defekte Stellen auf – ein Problem für viele Anwendungen.

Dr. Arash Nikoubashman (Foto/©: privat)

Das Forschungsvorhaben der Emmy Noether-Gruppe „Kontrollierter Transport und Anordnung von weicher Materie" ist es, die beiden Themengebiete der Mikrofluidik komplexer Flüssigkeiten, dem Fließverhalten auf engstem Raum, und der Selbstanordnung weicher Materie zusammenzuführen und damit neu zu verstehen sowie zu nutzen. Dieser Ansatz erlaubt eine weitaus präzisere Kontrolle über die Größe und Form der entstehenden Strukturen bei einem minimalen Zusatzaufwand.

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Das Forschungsprojekt leistet einen wichtigen Beitrag zu unserem grundlegenden Verständnis der Nichtgleichgewichts-Dynamik in weicher Materie und spielt eine zentrale Rolle bei der zukünftigen Entwicklung von Geräten für die effektive Manipulation und Fabrikation kolloidaler Teilchen. Die Zielsetzungen des Projekts haben auch signifikante Auswirkungen weit über das Hauptforschungsgebiet hinaus. Die Fähigkeit, Kolloide aufgrund ihrer Größe und Verformbarkeit voneinander zu trennen, ist beispielsweise von immenser Bedeutung in der Biotechnologie, da diese Eigenschaften häufig zur Indikation von Krankheiten wie Anämie oder Krebs herangezogen werden können. Weiterhin kann Mikrofluidik in der Wasserreinigung eingesetzt werden, um nano- und mikrometergroße Schmutzstoffe zu filtern.

Darstellung von Janus-Teilchen in Flüssigkeit. (Bild/©: Arash Nikoubashman)

Die Arbeit der Forschungsgruppe um Arash Nikoubashman basiert auf einer Verflechtung aus statistischer Physik und modernsten Techniken der Computersimulation. Die während der Projektlaufzeit entwickelten Methoden haben hohe Relevanz für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen und werden öffentlich zugänglich gemacht. Das Projekt selbst ist theoriebasiert, wird allerdings in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren durchgeführt, um die neu entwickelten Theorien zu verifizieren und die Entwicklung innovativer Geräte und Materialien zu unterstützen. Im Rahmen dieses Projekts werden bestehende Kollaborationen zwischen der Gastgeberinstitution und weiteren führenden Einrichtungen in Deutschland, Europa und den USA ausgebaut und es werden neue geschaffen.

Die Emmy Noether-Gruppe, die der Arbeitsgruppe Physik der kondensierten Materie (KOMET) am Mainzer Institut für Physik angegliedert ist, wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in den kommenden Jahren finanziell gefördert. Mit dem Emmy Noether-Programm möchte die DFG jungen Forschern den Weg zur wissenschaftlichen Selbstständigkeit eröffnen, indem die Wissenschaftler eine Nachwuchsgruppe leiten und sich damit die Befähigung zum Hochschullehrer aneignen. Die Gruppe wird in der Regel während fünf Jahren gefördert. Arash Nikoubashman hat in den letzten drei Jahren an der Princeton University (USA) geforscht und ist seit dem 1. Oktober 2015 an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) als Nachwuchsgruppenleiter tätig.

Weitere Informationen:
Dr. Arash Nikoubashman
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
E-Mail: anikouba@uni-mainz.de
http://www.komet331.physik.uni-mainz.de/728.php

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