Forschung und Projekte
Zusammenfassung des Forschungsprogramms
Die Vielseitigkeit und die variablen Eigenschaften und Funktionen von Makromolekülen basieren einerseits auf einer großen Vielfalt einsetzbarer Monomere, andererseits auf der Fähigkeit zur Selbstassemblierung (engl. self-assembly), d.h. dem Aufbau selbstorganisierter Strukturen, die in der chemischen Abfolge der Polymerketten kodiert sind. In einfachen Fällen von Selbstassemblierung in Polymeren wirkt die Konnektivität der Polymerkette als entscheidende Zwangsbedingung, was zum Auftreten einer ganzen Reihe von universellen Eigenschaften führt,unabhängig von der spezifischen chemischen Struktur. Darüber hinaus gibt es aber viele offene und wichtige Fragen in der Polymerwissenschaft, bei denen starke Korrelationen zwischen lokaler Ordnung und der globalen Konformation der Polymerketten auftreten. Im Sonderforschungsbereich TRR 102 untersuchen wir solche Strukturbildungs- und Selbstassemblierungsprozesse in Polymersystemen, bei denen die molekulare Struktur und Dynamik außer durch die Konnektivität stark durch zusätzliche Zwangsbedingungen beeinflusst werden. Beispiele für die zusätzlichen Zwangsbedingungen sind spezifische interne Wechselwirkungen, externe Kräfte, geometrische Einschränkungen, hohe Konzentrationen oder topologische Wechselwirkungen.
Zwei prominente derartige Prozesse und auch zentrale Themen des Sonderforschungsbereichs sind die Kristallisation von synthetischen Polymeren und die Bildung von Amyloiden im Bereich der Biopolymere. In beiden Fällen bilden sich größere Strukturen, angetrieben durch die Ausbildung von molekularer Ordnung auf lokaler Ebene, eingeschränkt durch die Konnektivität der Kettenmoleküle. Diese Einschränkung oder Zwangsbedingung führt zur Bildung teilgeordneter Strukturen mit typischerweise nanoskopischen Abmessungen in einer oder mehreren Dimensionen. Beide Prozesse tragen universelle Züge, aber im Unterschied zur Kristallisation spielen spezifische Wechselwirkungen bei der Amyloidbildung eine wichtige Rolle. Im TRR 102 untersuchen wir diese und verwandte Strukturbildungsprozesse und die Eigenschaften der resultierenden Systeme mit dem Ziel, die grundlegenden physikalischen Prinzipien herauszuarbeiten und zu verstehen. Um diese Ziele zu erreichen führen wir Expertise aus Chemie, Experimentalphysik, theoretischer Physik sowie Biophysik zusammen und setzen eine Vielzahl experimenteller Techniken ein. Diese werden ergänzt durch Computersimulationen, die auf unterschiedlichen Skalen und Komplexitätsniveaus ansetzten.