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Forschung

Was ist Polymerphysik?

Polymere - Kettenmoleküle – sind außerordentlich vielseitige Materialien, die wir aus vielen Anwendungen im Alltag wegen ihrer besonderen mechanischen, optischen oder elektrischen Eigenschaften kennen. Auch biologische Materie besteht zu einem Großteil aus Polymeren. Polymere besitzen eine ganze Reihe typischer, besonderer Eigenschaften, wie zum Beispiel Viskoelastizität, Kautschukelastizität, Teilkristallinität oder Selbstorganisation.

Welche Forschungsthemen bearbeiten wir?

1. Grenzflächeninduzierte Kristallisation

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b00608

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b00608

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b00608

Es ist bekannt, dass die Kristallisation von Flüssigkeiten zu meist an der Grenzfläche mit einer festen Oberfläche beginnt. Im Allgemeinen kann die Grenzfläche eine Kristallisation entweder durch heterogene Keimbildung oder durch „Prefreezing“ induzieren. Beide Prozesse unterscheiden sich dabei thermodynamisch stark voneinander. Während die heterogene Keimbildung ein Nichtgleichgewichtsprozess ist, der unterhalb der Volumenschmelztemperatur Tm stattfindet, ist Prefreezing“ ein Gleichgewichtsphänomen welches oberhalb von Tm auftritt. Nichtsdestotrotz ist der Stand einer detaillierte Beschreibung der grenzflächeninduzierten Kristallisation von Flüssigkeiten auf mikroskopischer Ebene sehr begrenzt. Durch die Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen ist es unser Ziel, die Materialparameter zu verstehen, welche die Thermodynamik des „Prefreezingsund die Kinetik der heterogenen Keimbildung beeinflussen. Dazu untersuchen wir die Kristallisation von dünnen Filmen und isolierten Tröpfchen aus teilkristallinen Polymeren auf festen Substraten. Wir verwenden in-situ Rasterkraftmikroskopie (AFM), optische Mikroskopie und Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS, GI-WAXS) als experimentelle Methoden. Darüber hinaus entwickeln wir eine phänomenologische Theorie des Prefreezings“ und beschreiben die Gleichgewichtseigenschaften der „prefrozen“ Phase.


2. Kristallisation und Molekulare Dynamik von Polymeren

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01102

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01102

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01102

Polymere kristallisieren typischerweise in einer semikristalline Struktur. Es bilden sich geordnete/kristalline Bereiche (Lamellen) und ungeordnete amorphe Bereiche aus. Die entstehende Nanostruktur kann sich in vielen verschiedenen Variationen ausbilden und beeinflusst wesentlich die makroskopischen Materialeigenschaften. Umso wichtiger ist daher ein genaues Verständnis des Kristallisationsprozesses. Wir verstehen diesen als komplexes Zusammenspiel  der molekularer Dynamik des Polymers in der Schmelze, der Wachstumskinetik der Lamellen und zusätzlicher polymerspezifischer Effekte. Zur Untersuchung verwenden wir SAXS, DSC, Flash-DSC und Rheologie.


3. Strukturbildung in Halbleitenden Polymeren

Reprinted with permission from https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01301. Copyright 2018 American Chemical Society

Reprinted with permission from https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01301. Copyright 2018 American Chemical Society

Reprinted with permission from https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01301. Copyright 2018 American Chemical Society

Wir erforschen die Parameter welche sich auf die Strukturbildung in halbleitenden Polymeren insbesondere für organische Photovoltaik auswirken. Für eine effiziente Ladungstrennung in dieser Materialklasse ist eine Nanostrukturierung erforderlich welche wir durch Diblock Copolymere realisieren. Die Entmischungstendenz der Polymere führt zur Bildung von geordneten Strukturen von einigen 10 nm (Mikrophasenseparation). Da halbleitende Polymere meist zusätzlich eine kristalline oder flüssigkristalline Ordnung aufweisen ist die Strukturbildung in diesen Materialien komplex. So wird die Morphologie durch das Zusammenspiel von Mikrophasenseparation und Kristallisation bestimmt. Wir untersuchen wie sich verschiedene Einflussfaktoren wie Molekulargewicht, chemische Zusammensetzung, Grenzflächen und molekulare Dynamik auf die Strukturbildung und damit auf die Effizienz der Solarzellenmaterialien auswirken.


4. Supramolekulare Polymernetzwerke

https://www.nature.com/articles/srep32356

https://www.nature.com/articles/srep32356

https://www.nature.com/articles/srep32356

Netzwerke aus kurzen Polymerketten mit dynamisch bindenden Endgruppen, z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, sind supramolekulare Netzwerke. Die dynamischen Bindungen erlauben eine Umordnung der Ketten innerhalb des Netzwerkes. Damit lassen sich neue Materialeigenschaften realisieren, von leichterer Verarbeitung bis zu selbstheilenden Materialien. Die Bindungsdynamik kann auch durch externe Einflüsse, wie Temperatur oder pH-Wert, verändert werden.


5. Kristallisation von Biologisch Abbaubaren Polyestern

Beispiele für Polyester mit unterschiedlicher Anzahl von Methylengruppen (CH2)

Beispiele für Polyester mit unterschiedlicher Anzahl von Methylengruppen (CH2)

Beispiele für Polyester mit unterschiedlicher Anzahl von Methylengruppen (CH2)

Biologisch abbaubare Polymere können in manchen Anwendungen Alternativen zu Standardkunststoffen sein, aber sie sind noch nicht umfassend erforscht. Wir untersuchen das Kristallisationsverhalten von biologisch abbaubaren Polyestern mittels Kalorimetrie (DSC, Flash-DSC), Röntgenstreuung (SAXS) und Kernspinresonanz (NMR) und möchten die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen beantworten:
1) Welchen Einfluss hat die Anzahl der Methylengruppen zwischen Estergruppen auf das Kristallisationsverhalten von Polyestern?
2) Gibt es einen Polyester mit intrakristalliner Molekulardynamik?

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