Komplexe Materialien zähmen
Neuer Forschungsbereich der Wiener Universitäten beschäftigt sich mit Oxidverbindungen.
Wie lassen sich Materialien zähmen? Der Spezialforschungsbereich TACO, kurz für TAming COmplexity in Materials Modeling, stellt sich dieser Herausforderung. Denn komplexe neue Materialien wecken nicht nur das wissenschaftliche Interesse bei Physikern und Chemikern, auch versprechen sich die Wissenschaftler einen konkreten Nutzen von neuen Oxidverbindungen. Die Forschungsarbeiten von TACO und seinen zehn Teilprojekten starteten bereits im März 2021 und werden im Jahr 2025 abgeschlossen werden. Der Spezialforschungsbereich TACO wird vom Wissenschaftsfonds FWF mit insgesamt 4 Millionen Euro gefördert.
Ein Problem, das sich mithilfe neuartiger Materialien lösen lässt, ist unter anderem die Gewinnung und Speicherung von Energie. Eine vielversprechende Methode ist dabei die Fotokatalyse, wobei chemische Reaktionen durch Licht ausgelöst werden. Gelingt es zum Beispiel, auf diese Weise Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, so ließe sich reiner Wasserstoff herstellen, der später zur Energiegewinnung genutzt werden kann – und das ganz ohne Kohlendioxid-Emissionen zu verursachen. Um ein solches Verfahren zu etablieren, müssen zunächst grundlegende Prozesse verstanden werden. „Bei der Fotokatalyse etwa möchten wir zunächst verstehen, wie sich die Wassermoleküle an der Oxidgrenzfläche ausrichten und welche Reaktionen dort genau ablaufen, bevor es zur Fotokatalyse von Wasser kommt“, erklärt Stefan Uttenthaler, Koordinator des Projekts.
Bereits im Spezialforschungsbereich vorhanden ist das Wissen, wie sich nanostrukturierte Oxide für die Energiegewinnung nutzen lassen. Aus Kohlendioxid synthetisch hergestellter Alkohol etwa wäre eine hervorragende Möglichkeit, diese Treibhausgas positiv einzusetzen. Um auch Energiegewinnungsmethoden besser zu verstehen, die bereits in der Anwendung sind, gilt es auf atomarer Ebene zu erforschen, welche Prozesse dabei ablaufen.
Der neue Spezialforschungsbereich markiert nicht nur eine enge Zusammenarbeit zwischen TU Wien und Uni Wien, auch arbeiten Theoretiker und Praktiker bei TACO eng zusammen, ebenso wie Mensch und Maschine. „Mit der Spezialforschungsbereich-Förderung erhalten Forschende die Möglichkeit, in eng vernetzen Teams über mehrere Jahre hinweg einer Forschungsfrage auf den Grund gehen zu können. Ziel ist es, gänzlich neue Erkenntnisse zu gewinnen,“ erklärt Christof Gattringer, Präsident des Wissenschaftsfonds FWF, und wünscht dem Team viel Erfolg. Im Rahmen des Projekts sollen sowohl vorhandene Materialien untersucht und das Verständnis von diesen erhöht werden als auch neue Materialien entstehen.
„Bei der Entwicklung neuer Materialien müssen Theorie und Praxis stets eng zusammenarbeiten,“ erklärt Georg Kresse von der Uni Wien, „denn die Möglichkeiten, wie sich die Materialstruktur verändern lässt, sind riesig.“ Um potenzielle Kandidaten zu identifizieren, greifen die Theoretiker gerne auf Algorithmen des maschinellen Lernens zurück, die die Berechnung möglicher Konfigurationen beschleunigen. Bei diesen Berechnungen wird nicht nur die Konzentration und Position der verschiedenen Elemente berechnet, auch lassen sich bereits Annahmen über die Stabilität der Struktur sowie katalytische Eigenschaften treffen. „Im Labor können wir schließlich überprüfen, ob die theoretischen Vorhersagen korrekt sind“, sagt Ulrike Diebold, Leiterin von TACO.
Um einen kontinuierlichen Wissensaustausch sicherzustellen, treffen sich die Projektpartner regelmäßig – wie auch bei der öffentlichen Vorstellung von TACO im September. Dabei sollen die Forschungsergebnisse auch über die Universitätsgrenzen hinaus kommuniziert werden.
TU Wien / DE
