Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Weiche Materie & Biologische Physik
In diesem stark interdisziplinären Bereich werden Computermodelle und Simulationen eingesetzt, um Phänomene wie die Selbstorganisation und Topologie von Polymeren, die Dynamik von Membranen und die Faltung von Proteinen und DNA zu untersuchen. Diese Systeme haben gemeinsame Merkmale: Ihre charakteristischen Energien liegen in der Größenordnung der thermischen Energie (kT) und die Entropie ist ein unverzichtbarer Faktor. Durch die Verknüpfung von Physik, Chemie und Biologie sollen grundlegende Prinzipien aufgedeckt werden, die weiche und lebende Materie regeln, wobei die Anwendungen von der Materialwissenschaft bis zur biomedizinischen Forschung reichen.
Wasser ist für das Leben unerlässlich, doch viele seiner molekularen Verhaltensweisen bleiben rätselhaft. Seine Struktur ändert sich, wenn es unterkühlt ist, mit gelösten Substanzen oder in der Nähe von Oberflächen, wie z.B. bei Proteinen. Eine Hypothese zur Erklärung dieses anomalen Verhaltens ist die Existenz von zwei flüssigen Phasen: eine mit hoher und eine mit niedriger Dichte, die durch einen Flüssig-Flüssig-Übergang verbunden sind, der auch in anderen Flüssigkeiten vorkommt. Darüber hinaus kann der feste Zustand, Eis, sogar glasartige, amorphe Zustände ausbilden, wie sie im Weltall vermutet werden. Das Verständnis solcher Übergänge in Wasser, Polymeren und Gläsern ist ein globaler Forschungsschwerpunkt. Wir untersuchen dies mithilfe von Molekulardynamiksimulationen, Streutechniken, Spektroskopie und Kalorimetrie.
Der enorme Erfolg von Computersimulationen ist nicht nur dem Mooreschen Gesetz zu verdanken, sondern auch der Entwicklung von immer raffinierteren Modellen und intelligenten Simulationsalgorithmen. Ein Schlüssel zum Erfolg ist die Multiskalenmodellierung, d.h. die Kunst, systematisch Hierarchien von Modellen zu konstruieren, die auf verschiedenen Skalen arbeiten. Wir entwickeln solche Ansätze für weiche Materie, die aufgrund der dominierenden Rolle der Entropie eine besondere Herausforderung darstellt. Diese Forschung gibt auch grundlegende Einblicke in die mikroskopischen Ursprünge von neuen Phänomenen wie Dissipation und Gedächtnis.
Lebende und atmende Organismen, Flüssigkeitsströme oder angetriebene Quantensysteme – ganz gleich, welches System und welchen Maßstab wir betrachten, die Welt um uns herum entwickelt sich dynamisch weiter. Die allgemeinen Prinzipien, die das Verhalten solcher Nicht-Gleichgewichtssysteme bestimmen, sind weitgehend unbekannt. Unser Ziel ist es, herauszufinden, wie solche Prinzipien aus den mikroskopischen Gesetzen hervorgehen, die die einzelnen Bestandteile des Systems regeln. Diese Forschung berührt eine Vielzahl von Aspekten – von grundlegenden philosophischen Fragen über den Pfeil der Zeit bis hin zu praktischen Anwendungen in der Biologie und Nanotechnologie. Methodisch setzen wir sowohl Stift-und-Papier-Theorie als auch groß angelegte Computersimulationen einschließlich maschinellen Lernens ein.
