Umfassende Simulationen von stimuli-responsiven weichen porösen Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Saeed Amirjalayer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531164583

Die Einbettung von molekularen Schaltern in weichen porösen Materialien, wie Metal-Organic Frameworks (MOFs) und Covalent Organic Frameworks (COFs), bietet eine vielseitige Plattform für die Entwicklung von Stimuli-responsiven Materialien. Hierbei kann unter Verwendung der Gerüststruktur die Anordnung und Ausrichtung der responsiven molekularen Bausteine präzise moduliert werden, so dass maßgeschneidert Materialien für verschiedene Anwendungen wie zum Beispiel für die Speicherung von Molekülen oder in Katalyse entwickelt werden können. Das Verständnis grundlegender Aspekte hinsichtlich struktureller und dynamischer Eigenschaften dieser Stimuli-responsiven porösen Materialien ist, trotz der Fortschritte bei ihrer Entwicklung, bisher begrenzt. Das Ziel dieses Forschungsprojekts besteht darin, durch die Entwicklung und Anwendung einer Kraftfeld-Bibliothek zur genauen und effizienten Beschreibung der molekularen Schalteinheiten, gekoppelte und kooperative Phänomene auf der Grundlage der eingebetteten responsiven molekularen Einheiten aufzudecken. Verschiedene Klassen von molekularen Schaltern, einschließlich mechanisch gebundener Systeme, eingebettet in systematisch modifizierten porösen Materialien (z.B. Änderung der Netzwerktopologie, Porendimension) werden hierfür untersucht. Um den Schaltweg der responsiven molekularen Einheiten im Detail und effizient zu parametrisieren, werden Parametrisierungsalgorithmen weiterentwickelt. Basierend hierauf werden mit Hilfe von atomistischen Simulationen nicht nur die strukturellen Eigenschaften der funktionalisierten Gerüste, sondern auch das dynamische Zusammenspiel der responsiven molekularen Einheiten untereinander und ihre Wechselwirkungen mit Gastmolekülen untersucht. Um die Auswirkungen der strukturellen Randbedingungen zu entschlüsseln, werden parallel atomistische Simulationen von molekularen Schaltern, welche in eine Solvatationsumgebung eingebettet sind, durchgeführt. Durch diese umfassenden Untersuchungen soll ein grundlegendes Verständnis für die räumliche und zeitliche Kontrolle von molekularen Phänomenen in Stimuli-responsiven porösen Materialien erzielt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen