Wien (TU). – In zwei vom FWF unterstützten Projekten untersuchen die ForscherInnen, wie sich Teilchen der weichen Materie in geordneten Strukturen selbst organisieren. Aus den Gesetzen der Statistischen Mechanik und der Thermodynamik weiss man zwar, dass sich die Teilchen so anordnen, dass die Energie der Konfiguration minimiert wird. Allerdings können derartige Strukturen beliebig komplex werden, sodass eine Vorhersage dieser Anordnungen praktisch unmöglich ist. Um diese Konfigurationen dennoch identifizieren zu können, hat die Gruppe der TU Wien Algorithmen entwickelt, die auf Ideen der natürlichen Evolution basieren. „Da es de facto unmöglich ist, die geordneten Teilchenanordnungen für ein System vorherzusagen, haben wir uns bei unserer Suche nach energetisch optimalen Strukturen Strategien von evolutionären Prozessen abgeschaut. Wir betrachten eine große Zahl von Gitterstrukturen, die wir gemäß ihrer Energie evaluieren: Energetisch günstigere Strukturen werden gefördert und erzeugen über einen Reproduktionsprozeß eine neue Generation von Strukturen, die im allgemeinen energetisch günstigere Strukturen enthält. Wiederholt man diesen Prozeß über viele Generationen, so 'sterben' Kristallstrukturen mit hoher Energie systematisch 'aus' und es 'vermehren' sich nur noch jene Teilchenanordnungen mit niedriger Energie. Am Ende erhält man tatsächlich die optimale Teilchenanordnung“, fasst Gehard Kahl, Professor am Institut für Theoretische Physik der TU Wien zusammen. Somit wird die Vorhersage energetisch günstiger Gitteranordnungen mit Hilfe dieses Algorithmus in wenigen Stunden ermöglicht.  

Die breite Anwendung dieser Algorithmen in der weichen Materie spiegelt sich darin wider, dass in der SMT-Gruppe mittlerweile drei Dissertationen und zwei Diplomarbeiten diesem Thema gewidmet wurden. Die Untersuchung von Selbstorganisationsszenarien in der weichen Materie ist kein rein akademisches Problem, sondern spielt auch in technologischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Julia Fornleitner, Mitarbeiterin der SMT-Gruppe, untersucht in Zusammenarbeit mit Christos N. Likos (Düsseldorf) und Federica Lo Verso (Genf) sogenannte phononische Kristalle. „Es handelt sich bei diesen Gitterstrukturen um funktionale Einheiten, die spezielle mechanische Eigenschaften besitzen: Diese Kristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie aufgrund ihrer komplexen Struktur in gewissen kristallographischen Richtungen (akustische) Frequenzen unterdrücken können und somit eine Filterfunktion erfüllen“, erklärt Gerhard Kahl. Eine andere Art von Selbstorganisation spielt aber auch in medizinischen Anwendungen eine wichtige Rolle: Teilchen der weichen Materie können auch isolierte Aggregate (‚cluster‘) bilden, die zum Beispiel zum Transport von Medikamenten zu einem Krankheitsherd im Körper verwendet werden können. „Derartige ‚cluster‘ benötigen eine relativ offene Struktur, sie haben im inneren sozusagen einen Käfig, einen Bereich, wo zum Beispiel Heilmittel im weitesten Sinne untergebracht werden können. An der Stelle, wo das Mittel abgeliefert werden soll, wird der Käfig einfach geöffnet“, so Kahl. Die Untersuchung von ‚clustern‘ mit Hilfe evolutionärer Algorithmen hat in der SMT-Gruppe allerdings erst begonnen.

Die Selbstorganisationsszenarien in der weichen Materie (‚self assembly in soft matter‘) untersuchen Gerhard Kahl und seine MitarbeiterInnen. Besonders hilfreich und wichtig ist dabei die Zusammenarbeit mit Experimentatoren. Unter weicher Materie werden zum Beispiel Schäume, Gele und Flüssigkristalle verstanden, die im Niemandsland zwischen dem Festen und Flüssigen zahlreiche Materialien mit ungewohnten und nützlichen Eigenschaften beinhalten.

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Rückfragehinweis:
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Kahl      
Institut für Theoretische Physik                
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Aussender:
Mag. Daniela Hallegger
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