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Forschungsschwerpunkte

Grundlegende Eigenschaften neuer Materialien

Neue Materialklassen wie 2D-Materialien, andere Quantenmaterialien und deren Heterostrukturen bieten einzigartige Eigenschaften und eröffnen vielfältige neue Anwendungen. Ihr Verständnis – von strukturellen, optischen, dynamischen, magnetischen und transportbezogenen Phänomenen – erfordert interdisziplinäre Expertise aus Physik und Chemie,  in Theorie und Experiment. Der gesamte Prozess der Wissensgewinnung – von theoretischen Vorhersagen über Synthese und Charakterisierung bis hin zur Anwendung in Zusammenarbeit mit Industriepartnern – wird durch die Kooperation von Forschungsgruppen innerhalb von mar.quest abgedeckt. 

Entwicklung neuartiger Syntheserouten

Die Entwicklung neuer Syntheserouten kann zu grundlegend neuen funktionellen Molekülen und Materialien mit neuartigen Eigenschaften, verbesserter Leistungsfähigkeit oder geringerer Umweltbelastung führen. Funktionelle Moleküle können als hochmoderne Reagenzien und Katalysatoren nachhaltige Synthesemethoden in Chemie, Biochemie und Pharmazie ermöglichen. Dazu gehören stimuli-responsive, schaltbare Prozesse sowie photo-, mechano- und elektrochemische Ansätze. Aufgrund ihrer optischen, chiralen, bzw. magnetischen Eigenschaften eignen sie sich zudem für Anwendungen als Speichermedien, in der Quanteninformationswissenschaft, in Sensoren und optoelektronischen Systemen. Speziell entworfene Moleküle dienen als Vorstufen für die gezielte Synthese neuartiger Materialien, etwa von Halbleiterschichten mit spezifischen Eigenschaften.  Allen Ansätzen gemeinsam ist die gezielte Nutzung leicht verfügbarer, kostengünstiger und wenig toxischer Elemente.

Arbeitsgruppen: Casitas, Lichtenberg, von Hänisch

Wachstum von Quantenmaterialien

Oberflächenunterstützte und gasphasenkontrollierte Synthesen ermöglichen die Herstellung von Quantenstrukturen unterschiedlicher Dimensionen – von  null- und eindimensionalen Strukturen bis hin zu zweidimensionalen Materialien. Dazu zählen beispielsweise Nanographene, Graphennanobänder (GNRs), 2D-Materialien, Perowskite sowie organische und anorganische Halbleiterstrukturen. Durch die präzise Kontrolle von Reaktionsbedingungen, Struktur und Zusammensetzung lassen sich Materialien mit maßgeschneiderten eltektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften erzeugen. 

 Arbeitsgruppen: Goldschmidt, Gottfried, Volz, Witte

Manipulation einzelner Moleküle

Schnelles Material-Prototyping durch Manipulation einzelner Moleküle und Atome in Kombination mit atomarer Charakterisierung mittels Rastersondenmethoden eröffnet potenziell den Zugang zu völlig neuen Materialklassen. Das Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen der entworfenen chemischen Vorstufen, der Oberflächeneigenschaften, Prozessdynamiken und Strukturen der resultierenden Materialien erschließt ein breites Spektrum neuer Möglichkeiten. Neue Syntheserouten sind außerdem entscheidend für die Entwicklung umweltfreundlicher Verfahren („Green Chemistry“) und die Nutzung neuer Ressourcen, etwa biobasierter Rohstoffe oder Materialien aus Recyclingströmen.

Arbeitsgruppe: Gottfried

Fortgeschrittene Materialcharakterisierung 

Mikroskopie und Spektroskopie ermöglichen die Untersuchung der Struktur und Eigenschaften von Materialien bis auf atomarer Ebene und entschlüsseln dabei Quantenwechselwirkungen sowie elektronische Strukturen. Die Korrelation nanoskaliger Eigenschaften mit anwendungsrelevanten Gerätecharakteristika schafft ein umfassendes Verständnis neuer Materialien. Dieses Verständnis bildet die Grundlage, um das Potenzial der Materialien für nachhaltige Technologien auszuschöpfen und bislang unerreichte Eigenschaften zu erzielen. Das Zentrum nutzt und entwickelt modernste Charakterisierungsmethoden, die daruaf abzielen, die Lücke zwischen Grundlagenforschung und technologischer Anwendung zu schließen.

Arbeitsgruppen: Gerhard, Goldschmidt, Gottfried, Koch, Leisgang, Reutzel, Volz, Witte

Theorie als Wegbereiter neuer Materialien

Die Theorie spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Konzepte und innovativer Ansätze in der Forschung zu Quantenmaterialien. Sie ermöglicht die Vorhersage neuer Quanteneffekte, das Design maßgeschneiderter molekularer und materialbezogener Eigenschaften sowie die Entwicklung neuartiger Synthese- und Analysewege. mar.quest bietet ein Umfeld für enge Zusammenarbeit zwischen Theoretiker*innen der Physik und Chemie mit experimentell arbeitenden Kolleg*innen. Quantitative und prädiktive Theorien zu Molekülen, Materialien und ihren fundamentalen Wechselwirkungen können anschließend durch experimentelle Umsetzung überprüft werden und tragen in gemeinsamer Arbeit dazu bei, empirische Erkenntnisprozesse erheblich zu verkürzen.

Arbeitsgruppen:  Berger, Gebhard, Malic, von Domaros, Wippermann

Neue und nachhaltige Anwendungen

Neue Materialien und Erkenntnisse schaffen die Grundlage für neue Anwendungen, höhere Leistungsfähigkeit und Reduktion des ökologischen Fußabdrucks. Aufbauend auf bestehenden Stärken konzentriert sich das Zentrum insbesondere auf Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien und Energiespeicherung, wie etwa Solarzellen, grüner Wasserstoff, Brennstoffzellen und Batteriematerialien sowie auf Halbleitertechnologien für neuartige Laserstrukturen, Solarzellen und Transistoren . Die Forschung kombiniert die Ergebnisse aller Forschungsbereiche – von Materialverständnis und Synthese über Charakterisierung bis hin zu Design – um Lösungen für drängende gesellschaftliche Herausforderungen zu entwickeln. Dabei verfolgt mar.quest auch unkonventionelle Ansätze, etwa indem Prinzipien der CO₂-Fixierung in der frühen Erdgeochemie auf nachhaltige Verfahren der CO₂-Bindung übertragen werden .

Arbeitsgruppen: Goldschmidt, Preiner, Roling, Volz, Wagner