Doctoral College Advanced Functional Materials-Hierarchical Design of Hybrid Systems

Die Entwicklung von Hochleistungsmaterialien mit neuartigen Eigenschaften wird in der Bewältigung zukünftiger gesellschaftlicher Herausforderungen wie dem Erschließen erneuerbarer Energiequellen, der Diagnose und Behandlung von Krankheiten und dem Umweltschutz eine entscheidende Rolle spielen. Das Doktoratskolleg Advanced Functional Materials (DCAFM, http://dcafm.univie.ac.at/), das von Forschungsgruppen der Fakultäten für Physik und Chemie der Universität Wien betrieben wird, hat sich zum Ziel gesetzt, Doktoratsstudierende in diesem Gebiet auf höchstem internationalen Niveau auszubilden. Der Forschungsschwerpunkt von DCAFM liegt in der Synthese, Manipulation, Charakterisierung, Analyse und theoretischen Beschreibung neuer funktionaler Materialien, welche von zweidimensionalen Materialien mit außergewöhnlichen elektronischen und optischen Eigenschaften bis zu Systemen weicher Materie mit besonderen mechanischen Eigenschaften reichen. Mit den Mitteln des FWF sollen zehn neue Stellen für Doktoratsstudierende geschaffen werden, um damit die Eröffnung neuer Forschungsfelder zu ermöglichen. Die neuen Doktorand*innen werden in Teams an gemeinsamen Projekten zum hierarchischen Design hybrider Systeme, wie van der Waals Heterostrukturen, Kohlenstoff -Nanomaterialien und Polymeren arbeiten. Die besondere Stärke des Doktoratskollegs DCAFM liegt im engen Zusammenspiel von experimentellen und rechnergestützten Ansätzen, sodass die selektiv ausgewählten DCAFM-Doktorand*innen breitgefächerte Kenntnisse und Fertigkeiten auf dem Arbeitsgebiet der modernenHochleistungsmaterialien erlangen. Während längerer Forschungsaufenthalte an weltweit führenden Institutionen haben DCAFM-Doktorand*innen die Gelegenheit ihren wissenschaftlichen Horizont zuerweiternund wertvolle Auslandserfahrungen zu sammeln. Die umfassende Ausbildung, welche auch die Entwicklung von Kompetenzen in transferable skills beinhaltet, bietet den DCAFM-Absolvent*innen beste Voraussetzungen für eine erfolgreiche berufliche Laufbahn in der Industrie oder der akademischen Forschung und Lehre.

Im vom FWF geförderten Doktoratskolleg Advanced Functional Materials - Hierarchical Design of Hybrid Systems (DCAFM) arbeiteten elf Forschungsgruppen der Universität Wien aus den Bereichen Physik und Chemie gemeinsam an der Erforschung funktionaler Materialien. Ziel des Projekts war es, grundlegende Zusammenhänge zwischen der Struktur solcher Materialien und ihren physikalischen Eigenschaften systematisch zu untersuchen. Im Projekt wurden drei Materialklassen bearbeitet: zweidimensionale Schichtmaterialien, Kohlenstoff-Nanomaterialien sowie polymerbasierte, leicht verformbare Materialien. Alles diese Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Eigenschaften stark von ihrer Struktur auf atomarer oder molekularer Ebene abhängen. Bereits kleine Veränderungen, etwa durch Defekte, chemische Modifikationen oder äußere Einflüsse, können ihr Verhalten messbar verändern und neue Effekte hervorrufen. Ein Schwerpunkt lag auf atomar dünnen Materialien, bei denen der Einfluss von Defekten auf elektronische und optische Eigenschaften untersucht wurde. Ergänzend dazu wurden Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Nanoröhren und lineare Kohlenstoffketten analysiert, um ihre physikalischen Eigenschaften experimentell und theoretisch zu beschreiben. Weitere Arbeiten befassten sich mit polymerbasierten Materialien, deren mechanisches und dynamisches Verhalten unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder untersucht wurde. Diese Untersuchungen dienten dazu, grundlegende Zusammenhänge zwischen Struktur, Dynamik und äußeren Einflüssen zu klären. Charakteristisch für das Doktoratskolleg war die enge Verzahnung experimenteller und theoretischer Ansätze. Experimentelle Methoden wie hochauflösende Mikroskopie, Spektroskopie und Materialsynthese wurden systematisch mit theoretischen Modellen, Computersimulationen und datenbasierten Auswertungsverfahren kombiniert. Dabei kamen auch Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz, etwa zur Analyse komplexer Datensätze oder zur Entwicklung effizienter Simulationsmodelle. Diese integrierte Vorgehensweise ermöglichte es, experimentelle Beobachtungen gezielt zu interpretieren und theoretische Beschreibungen anhand von Messdaten zu überprüfen. Im Rahmen des Projekts schlossen mehrere Doktorandinnen und Doktoranden ihre Dissertationen ab. Sie bearbeiteten unterschiedliche Fragestellungen im Bereich funktionaler Materialien und entwickelten dabei neue experimentelle Methoden sowie theoretische Beschreibungen. Parallel dazu absolvierten sie eine strukturierte, interdisziplinäre Ausbildung in einem gemeinsamen Forschungsumfeld. Das Doktoratskolleg DCAFM trug damit zur wissenschaftlichen Ausbildung und zur Bearbeitung grundlegender Fragestellungen in diesem Forschungsbereich bei.