Nanostrukturen in molekularen Flüssigkeitssystemen

Das wissenschaftliche Ziel dieses Projektantrages ist die Klärung von Nanostrukturen in kondensierten Systemen (wie molekulare Flüssigkeiten und biomolekulare Aggregate), die durch Moleküle gebildet werden, die mittels resonanter intermolekularer Schwingungkopplung miteinander wechselwirken. Diese Studien werden durchgeführt, um die Bildung von Nanostrukturen in biologisch relevanten Umgebungen und ihre Abhängigkeit von Konzentrationen und Temperatur besser zu verstehen. Die experimentelle Arbeit besteht in der ramanspektroskopischen Untersuchung der Effekte der resonanten intermolekularen Schwingungskopplung auf die in molekularen Flüssigkeiten beobachtete Bandenform von Schwingungsspektren. Sie wird im Rahmen einer seit 1994 bereits existierenden internationalen Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Physik und Biophysik der Universität Salzburg (Österreich) und dem Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica der Universität Bologna (Italien) durchgeführt werden. Zur gleichen Zeit werden theoretische Untersuchungen und Computersimulationen am Department of Chemistry der Shizuoka University (Japan) durchgeführt werden, wobei sowohl die relative Lage als auch die relative Orientierung der Moleküle zueinander ausführlich analysiert werden wird. Dabei werden sowohl die quasistatische Strukturer wie auch die Kurzzeitdynamik (im Picosekunden- bis Nanosekunden- Zeitbereich) betrachtet werden. Obwohl die informelle Zusammenrabeit zwischen all den obengenannten Institutionen bereits seit 1996 besteht, ist der Zweck dieses Projektantrages die engere Zusammenarbeit zwischen dem japanischen Projektanträger und dem österreichischen Anträger, d.h. unter Einbezugnahme von Forschungsaufenthalten an den jeweiligen Labors, um eine effektivere und intensivere gemeinsame Forschungsarbeit leisten zu können. Die Flüssigkeitssysteme, die untersucht werden sollen, lassen sich grob in drei Kategorien unterteilen: 1) binäre Flüssigkeitssysteme mit Nanostrukturen, die durch Wasserstoff-Brückenbindungen gebildet sind, wie z.B. Wasser-Methanol- und Wasser-Peptid-Mischungen; 2) Flüssigkeiten aus polar bzw. Wasserstoff-Brücken gebundenen Molekülen, die in engen Räumen wie porösem Glass und Zeoliten eingefangen sind; 3) Flüssigkeitssysteme mit großen Effekten der intermolekularen elektrostatischen Wechselwirkung, wie z.B. Lösungen von Elektrolyten in organischen Lösungsmitteln.

Das wesentlichste Ergebnis des Projektes ist die erfolgreiche Verwendung der intermolekularen resonanten Schwingungskopplung zwischen Schwingungsmoden von benachbarten Molekülen der gleichen Spezies, um die Nanostruktur einer molekularen Flüssigkeit und ihre Änderung mit der Änderung von thermodynamischen Parametern (Konzentration, Temperatur, Dichte) zu untersuchen. Sowohl experimentelle Methoden wie auch Computersimulationen wurden verwendet um ein tieferes Verständnis der Nanostruktur in der betrachteten molekularen Flüssigkeit zu erlangen. Die experimentell beobachtbare Signatur diese Nanostruktur is die Nichtkoinzidenz-aufspaltung von spektroskopisch beobachtbaren Banden, die zu ramanaktiven Schwingungsmoden der Moleküle in der Flüssigkeit gehören, als Funktion der Polarisationen des einfallenden monochromatischen Lichtes und des gestreuten Ramanlichtes. Teile der Forschungstätigkeit wurden der Untersuchung der Nanostrukturen von polaren und von wasserstoffbrückengebundenen Flüssigkeiten und deren Veränderung durch Verdünnung in nichtpolaren und in polaren Lösungsmitteln gewidmet. Erweiterungen dieser Tätigkeiten betrafen die Nanostruktur eines nematischen Flüssigkristalles während seines Phasenüberganges von nematisch auf isotrop. Weitere erfolgreiche Aktivitäten betrafen die spektroskopische Evidenz der kritischen Dichtefluktuationen von Fluiden in der Nähe ihres kritischen Punktes für den Gas-Flüssig-Phasenübergang, sichtbar durch das Phänomen der kritischen Linienverbreiterung. Das Projekt wurde in einer internationalen Zusammenarbeit zwischen Forschern aus Österreich, Deutschland, Japan, und Italien durchgeführt.