Der Mehrwert: Computergestützte Materialentwicklung

Die von der Arbeitsgruppe angewandte Methodik, ein Material mit einer bestimmten Funktion zu entwickeln, unterscheidet sich durch digitale Komponenten von rein empirischen Vorgehensweisen. Durch Modellierungen am Computer sind Vorhersagen der Eigenschaften aller potenzieller Moleküle möglich, die für den Einsatz infrage kommen.

Durch die vergleichsweise schnelle Modellierung erlangt man vor der aufwendigen Laborsynthese Kenntnis, welche der Zielmoleküle den definierten Kriterien der Anwendung entsprechen wird. Nur die aussichtsreichen Strukturen werden nach der Selektion anschließend im Chemielabor realisiert.

Indem sich die Synthese auf wenige vielversprechende Zielstrukturen konzentriert, können die Erfolgschancen signifikant erhöht werden.

Die Kombination aus Molekular Modelling und Synthesechemie

Die Software (TURBOMOLE software suite) und die genutzte Workstation (AMD Ryzen Threadripper PRO 5965WX, 24 Cores, 48 Threads, 4.5 GHz, 64 GB RAM) sind auf Modellierungen mittelgroßer Moleküle zugeschnitten.

Aufwendigere Modellierung können am zentralen Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching durchgeführt werden.

Die Apparatur dient dazu, Reaktionen unter Ausschluss von Sauerstoff und Wasser durchzuführen. Stattdessen ist im Inneren ein inertes Schutzgas (hochreiner Stickstoff).Sämtliche Manipulationen (Reaktion, Filtration, Kristallisation, Destillation, Extraktion) werden in den Reaktionsgefäßen unter einem Inertgas-Gegenstrom ausgeführt.

Diese Arbeitsweise eignet sich für alle Arten von luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Substanzen, ebenso für einen gefahrlosen Umgang mit giftigen, leicht flüchtigen Substanzen.

Materialwissenschaftliche & interdisziplinäre Forschung

Anwendungen

  • Metallorganische Substanzen für die CVD oder Katalyse
  • Organische Halbleitermaterialien für die Organische Optoelektronik
  • Photoaktive Materialien (Photovoltaik, Emission)
  • Batterie-Materialien
  • Nanostrukturierte Metall- & Halbleiterpartikel
  • Metallorganische Gerüstverbindungen (MOF)

Substanzklassen

  • Stark Lewis-saure Metallkomplexe
  • Komplexe mit Fluor-haltigen Liganden
  • Koordinationspolymere
  • Redox-aktive organische Moleküle & Komplexe für den Ladungstransfer
  • Elektronenarme organische und anorganische Moleküle mit hohen Oxidationspotentialen
  • Funktionalisierte Nanopartikel

Phänomene

  • Injektion und Transport von Ladungsträgern
  • Ladungsspeicherung
  • Stabilität bzw. Instabilität bei Verdampfungsprozessen (z.B. CVD)
  • Filmbildung dünner Schichten in nm-Bereich
  • Oberflächenchemie selbstorganisierender Monoschichten
  • Absorption und Ladungs-Transfer-Phänomen

Techniken

  • Synthesen unter Schutzgas im mg bis multi-g-Maßstab
  • Anwendung quantenchemischen Methoden (DFT) zur Erklärung oder Vorhersage molekularer Eigenschaften (Molecular Modelling)
  • Modellierung größerer chemischer Systeme (Kristalle)
  • Elektrochemische Messung von Reduktions- & Oxidationspotentialen in nicht-wässrigen Lösungsmitteln, z.B. organische Lösungsmittel