Die komplette Liste der Forschungsthemen ist hier zu finden (auf Englisch), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

In der Folge eine kurze Beschreibung einiger ausgewählte Themen.

Bio-Grenzflächen

Adhäsion und Kräfte an Bio-Grenzflächen - Von einer, zu zwei, zu vielen einzelnen molekularen Wechselwirkungen

Alle aktiven Systeme, die einer Veränderung, Bewegung oder einem Materiefluss unterliegen (d. h. alle biologischen Systeme und alle mechanischen Systeme), sind grundlegenden Kräften unterworfen, die die Art und Weise, wie sich Atome, Moleküle und letztlich makroskopische Strukturen entwickeln, entfalten, anpassen und altern, steuern. Im Grunde genommen sind dynamische molekulare Wechselwirkungen alles! Folglich ist die Untersuchung interaktiver Kräfte ein gemeinsames und grundlegendes Interesse in scheinbar nicht verwandten Bereichen wie Biophysik und Adhäsion oder Korrosionswissenschaft und Stammzellenforschung. Es fehlt jedoch noch immer ein detailliertes Verständnis dafür, wie sich makroskopische Eigenschaften dynamisch aus molekularen Kräften und Wechselwirkungen entwickeln; Beispiele sind adhäsive Wechselwirkungen oder adaptive, durch Rückkopplung ausgelöste Wechselwirkungen wie spezifische und Redox-Koppel-Wechselwirkungen. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, auf der Grundlage der Rasterkraftmikroskopie einzelner Moleküle eine makroskopische Adhäsionsarbeit direkt zu extrapolieren. Wir nutzen diese Strategie nun, um unser Verständnis von Adhäsion und Interaktionen an komplexen biologischen Grenzflächen zu erweitern.

Hydrophobe Wechselwirkungen, Peptide an Grenzflächen und Selbstorganisation

Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Bestandteilen steuern allgegenwärtige Prozesse in wässrigen Medien, einschließlich der Selbstorganisation biologischer Materie. In den letzten Jahrzehnten wurden enorme Fortschritte beim Verständnis dieser Wechselwirkungen an makroskopischen hydrophoben Grenzflächen erzielt. Dennoch ist es nach wie vor eine Herausforderung, hydrophobe Wechselwirkungen auf der Einzelmolekül-Skala experimentell zu messen und so mit der Theorie zu vergleichen. Wir entwickeln Methoden zur experimentellen Charakterisierung einzelner molekularer hydrophober Wechselwirkungen und vergleichen unsere Experimente direkt mit Simulationen auf der molekularen Skala. Unsere Hauptstrategie besteht darin, präzise kontrollierbare Sequenzen von interagierenden, hydrophoben Peptiden zu untersuchen, bei denen die Wechselwirkungen genau kontrolliert werden können.

Materialgrenzflächen

Degradierung und Korrosion

Wovon sind fast alle modernen, von Menschenhand geschaffenen Materialien betroffen, die in Autos, Flugzeugen, Pipelines und sogar in den Implantaten verwendet werden, die Sie vielleicht irgendwann einmal brauchen? Degradation, Zersetzung und schließlich der vollständige Verlust der Funktionsfähigkeit! Wir versuchen, die Degradation zu verstehen und sie deutlich zu verlangsamen. Bei Metallen beispielsweise ist die Korrosion ein oft überraschend schneller und unerwarteter Prozess des unvermeidlichen Verfalls. Mit geschätzten Kosten in Höhe von 3 % des Bruttoinlandsprodukts (BIP) pro Jahr hat sie eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, ganz zu schweigen von den potenziellen Sicherheits-, Umwelt- und Gesundheitsgefahren, die sie mit sich bringt. Unsere Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis der Degradationsmechanismen im Nano- bis Mikromaßstab und die Erfindung einzigartiger Echtzeit-Analysemethoden zur Veranschaulichung der ersten Schritte der Korrosion von Struktur- und Funktionsmetallen und Metall-Polymer-Verbundwerkstoffen. Insbesondere interessieren wir uns für die Korrosion, insbesondere Spaltkorrosion und Lochfraß: Unser Ziel ist es, Modelle und Vorhersagen zu erstellen, wie und wann Materialien korrodieren und wie diese Korrosion verlangsamt werden kann.

Molekulares Verständnis von Fest-Flüssig-Grenzflächen

Jeder Prozess an Fest-Flüssig-Grenzflächen hängt entscheidend davon ab, wie Ionen- und Flüssigkeitsmoleküle in der inneren/kompakten elektrischen Doppelschicht strukturiert sind und wie dies z. B. die Wechselwirkungsstellen der Adhäsion oder Reaktivität (Blockierung oder Verstärkung) beeinflusst. So wurde lange Zeit davon ausgegangen, dass wässrige Elektrolyte lediglich die Matrix für Prozesse in biologischen Systemen und die Evolution des Lebens bilden. Auf molekularer Ebene hingegen sind sowohl Wasser als auch hydratisierte Ionen in vielen Fällen wesentliche Bestandteile, die molekulare Prozesse steuern, die für die Strukturbildung, die molekulare Selbstorganisation, die Selbstorganisation organischer Materie und die Aktivierung molekularer Pfade verantwortlich sind.

In vielen Bereichen ist oft nicht einmal klar, ob oder wie Lösungsmittelmoleküle und Ionen aktiv an den Grenzflächenprozessen beteiligt sind. In der Regel sind diese elektrischen Doppelschichtstrukturen nur wenige Nanometer dick und daher notorisch schwer zu untersuchen. Welche Strukturen auf atomarer Ebene, die sich oft dynamisch anpassen, treiben die Prozesse an Grenzflächen an? Können diese unter dynamischen Bedingungen sichtbar gemacht werden? Unser Ziel ist die atomar aufgelöste 3D-Darstellung elektrischer Doppelschichten (Wasserfilme und Ionenschichten) unter Variation der Umgebungsbedingungen (pH-Wert, Ionen und elektrochemische Potentiale). Um dies zu erreichen, entwickeln wir neue Rastersonden-Instrumente und verwenden hochstabile Rasterkraftmikroskope.

Instrumentierung

Messung von Kräften zwischen Oberflächen

Vor einigen Jahren haben wir ein Gerät für elektrochemische Oberflächenkräfte (EC-SFA) entwickelt, das die Kontrolle und Messung von Oberflächenpotenzialen und elektrochemischen Grenzflächenreaktionen bei gleichzeitiger Messung der normalen Wechselwirkungskräfte (mit nN-Auflösung), der Reibungskräfte (mit μN-Auflösung) und der Abstände (mit Å-Auflösung) zwischen angrenzenden Oberflächen ermöglicht. Mit dem EC-SFA können komplexe langfristige transiente Effekte dynamischer Prozesse (z. B. Relaxationszeiten, Oxidations-Reduktionszyklen, korrosive Prozesse) sowie Adhäsions- und Reibungskräfte untersucht werden, während elektrochemische Oberflächenpotenziale eingestellt werden.