Forschung

Überblick

Die Forschung dieser Arbeitsgruppe umfasst ein breites Spektrum an Themen und bei unserer Forschung kommt eine große Vielfalt an analytischen und numerischen Methoden zur Anwendung. Weiter unten finden Sie ein paar Beispiele. Einen vollständigen Überblick über unsere Forschungsgebiete, die speziellen Forschungsthemen, die von uns angewendeten Methoden und die bisher erzielten Ergebnisse gibt die folgende

Forschungsübersicht

Forschungsgebiete

Vorrangige Forschungsgebiete

Bei unserer Forschung sind wir hauptsächlich auf den folgenden Gebieten tätig:

  • Statistische Physik
  • Weiche kondensierte Materie
  • Aktive weiche Materie
  • Biophysik

 

Nachrangige Forschungsgebiete

In geringerem Umfang tragen wir auch zur Forschung in einigen weiteren Gebieten bei:

  • Fluiddynamik
  • Nanotechnologie
  • ...

 Unsere Forschung streift auch die folgenden Gebiete:

  • Materialwissenschaften
  • Festkörperphysik
  • Quantenphysik
  • Kosmologie
  • ...

Beispiele für unsere Forschungsthemen

Statistische Physik

Wir arbeiten an fundamentalen Problemen der Statistischen Physik und wenden die Methoden der Statistischen Physik zur Lösung von Problemen in vielen anderen Bereichen innerhalb und außerhalb der Physik an. Darüber hinaus entwickeln wir die Methoden der Statistischen Physik weiter und entwickeln wir auch neue Methoden. Die folgenden Methoden haben wir bereits sowohl intensiv eingesetzt als auch erheblich weiterentwickelt:

  • Mori-Zwanzig-Projektionsoperatorformalismus
  • Klassische dynamische Dichtefunktionaltheorie (DDFT)
  • Phasenfeldkristallmodelle (PFC-Modelle)

 

Mikroskopische Herleitung von Feldtheorien (Vorhersage von Materialverhalten und -eigenschaften)

Mikroskopische Bewegungsgleichungen -> Mesoskopische Feldtheorie -> Makroskopische Feldtheorie

Für die Beschreibung von Vielteilchensystemen sind Feldtheorien sehr hilfreich. Ein wichtiges Beispiel sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Sie sind die Grundgleichungen der Hydrodynamik und ermöglichen es, die Strömung von einfachen Flüssigkeiten (z.B. Wasser) und Gasen (z.B. Luft) zu beschreiben. In den meisten Fällen sind jedoch das zu beschreibende Vielteilchensystem komplizierter und die Navier-Stokes-Gleichungen nicht anwendbar. Beispiele dafür sind gefrierendes oder siedendes Wasser (Phasenübergänge wie Erstarren oder Verdampfen werden durch diese Gleichungen nicht beschrieben) und komplexe Fluide wie Blut oder Ketchup (diese Gleichungen beschreiben nur einfache Fluide). Tatsächlich sind Grundgleichungen wie die der Hydrodynamik für die meisten Materialien noch nicht bekannt. Dies stellt ein großes Problem dar, wenn z.B. die Strömung von Blut in einem Gefäßsystem oder von Ketchup in einer Abfüllanlage realistisch simuliert werden soll.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist deshalb das Herleiten neuer Feldtheorien zur Beschreibung von Vielteilchensystemen. Wir nutzen dazu Methoden wie den Mori-Zwanzig-Projektionsoperatorformalismus. Dieser ermöglicht es, Feldtheorien für fast beliebige Vielteilchensysteme (z.B. Materialien) aus den mikroskopischen Bewegungsgleichungen der Teilchen, aus denen diese Systeme bestehen, (z.B. die hamiltonschen Bewegungsgleichungen bei einem klassischen Vielteilchensystem und die heisenbergsche Bewegungsgleichung bei einem quantenmechanischen Vielteilchensystem) herzuleiten. Dabei können die Observablen zur Beschreibung des Vielteilchensystems (z.B. die lokale Massendichte und das Geschwindigkeitsfeld zur Beschreibung einer strömenden Flüssigkeit) frei gewählt werden. Eine weitere Besonderheit dieser Methode ist, dass sie mathematische Ausdrücke für alle Transportkoeffizienten liefert, die in der Feldtheorie auftreten. Mit dieser Methode können wir also die Bewegungsgleichungen für beliebige (weiche oder feste) Materialien herleiten und sowohl das Verhalten (z.B. Strömung oder Deformation) als auch die Eigenschaften (z.B. Elastizität, Viskosität, Leitfähigkeit und Suszeptibilität) aus den mikroskopischen Eigenschaften der einzelnen Teilchen des Materials vorhersagen. Dies ist für viele Bereiche einschließlich Weicher Materie, Materialwissenschaften und Festkörperphysik von großer Bedeutung.      

 

Aktive kolloidale Teilchen

Aktive kolloidale Teilchen sind Nano- oder Mikrometerteilchen, die über einen internen Antriebsmechanismus verfügen und sich dadurch in Flüssigkeiten – wie ein Nano- oder Mikro-U-Boot – selbstständig fortbewegen können. Beispiele für aktive kolloidale Teilchen sind schwimmende Mikroorganismen, wie z. B. zahlreiche Arten von Archaeen, Bakterien und Protozoen. Es existieren aber auch bereits einige technische Realisierungen selbstangetriebener Nano- und Mikrometerteilchen. Wir untersuchen die Bewegung dieser Teilchen und wie sie gesteuert werden kann. Dies ist nicht nur für die Biologie, sondern auch im Hinblick auf zukünftige Anwendungen künstlich hergestellter aktiver kolloidaler Teilchen sehr interessant. Zu den wichtigsten Bereichen, in denen eine zukünftige Anwendung dieser Teilchen denkbar ist, gehört die Nanomedizin. Dort könnten sie wie ferngesteuerte Nano- oder Mikro-U-Boote im Körper eingesetzt werden und z. B. Wirkstoffe an ein bestimmtes Ziel transportieren und dort freisetzen. Bis zur Realisierung derartiger Anwendungen ist zunächst jedoch noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig.

 

Aktive kolloidale Flüssigkristalle

Suspensionen anisometrischer aktiver kolloidaler Teilchen werden auch als aktive kolloidale Flüssigkristalle bezeichnet. Eine wichtige Besonderheit aktiver kolloidaler Flüssigkristalle besteht darin, dass sie durch den Antriebsmechanismus der aktiven kolloidalen Teilchen dauerhaft fern vom thermodynamischen Gleichgewicht sind. Dadurch ist ihr Verhalten viel komplizierter und vielseitiger als das von gewöhnlichen kolloidalen Flüssigkristallen, die über keinen internen Antriebsmechanismus verfügen. Dies macht aktive kolloidale Flüssigkristalle für die statistische Physik sehr interessant. Sie sind aber auch u. a. für die Materialwissenschaften von Bedeutung, da sie durch ihr einzigartiges Verhalten neuartige Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften darstellen. Um dazu beizutragen, dass die Realisierung derartiger aktiver Materialien in Zukunft Realität wird, untersuchen wir die Eigenschaften aktiver kolloidaler Flüssigkristalle und wie sie sich kontrollieren lassen.

 

Biophysik

Wir arbeiten an zahlreichen Themen aus dem Bereich der Biophysik. Beispiele sind die Fortbewegung von Mikroorganismen, ihr Schwarmverhalten und andere Arten von Selbstorganisation, die mechanischen Eigenschaften und Entwicklung von Gewebe, die Ausbreitung von Epidemien, sowie die Ausbreitung von Krebszellen und Metastasenbildung. 

Methoden

  • Analytische Modellbildung
  • Computersimulationen

Zu unserer Arbeit gehören das Herleiten von Modellen und physikalischen Gesetzen, Verallgemeinern von Theorien, Entwickeln neuer Methoden und Untersuchen der Grundgleichungen neuer Modelle und Theorien. Wir setzen auch Computersimulationen ein. Dadurch kommen bei unserer Arbeit zahlreiche analytische und numerische Methoden zur Anwendung. Zur Ergänzung arbeiten wir mit Experimentatoren zusammen.

Kooperationen

Aufgrund der großen thematischen Breite unserer Forschung arbeiten wir mit vielen Forscher(inne)n aus zahlreichen Forschungsgebieten zusammen.