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Aktuelle Forschungsprojekte am Department Chemie und Pharmazie

  • New hybrid-nanocarbon allotropes based on soluble fullerene derivatives in combination with carbon nanotubes and graphene. Application in organic solar cells and biomaterials.
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.05.2017 - 30.04.2019
    Mittelgeber: European Fellowships (EF)
    The overarching goal of the Hy-solFullGraph project is to undertake, from a molecular level, the synthesis of new functional hybrid materials based on carbon allotropes with outstanding properties. Synthetic carbon allotropes (SCAs) are regarded to be among the most promising candidates for future high performance materials. Precise control of the derivatisation will play a key role in tailoring their solubility and reactivity to maximise the advantages of their outstanding …
  • A preparative approach to geometric effects in innovative solar cell types based on a nanocylindrical structure
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.09.2015 - 31.08.2020
    Mittelgeber: ERC Consolidator Grant

  • Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    Laufzeit: 30.03.2015 - 29.12.2020
    Mittelgeber: Future and Emerging Technologies (FET)
    This Flagship aims to take graphene and related layered materials from a state of raw potential to a point where they can revolutionize multiple industries - from flexible, wearable and transparent electronics, to new energy applications and novel functional composites.Our main scientific and technological objectives in the different tiers of the value chain are to develop material technologies for ICT and beyond, identify new device concepts enabled by graphene and other layered materials, and integrate them to systems that provide new functionalities and open new application areas.These objectives are supported by operative targets to bring together a large core consortium of European academic and industrial partners and to create a highly effective technology transfer highway, allowing industry to rapidly absorb and exploit new discoveries.The Flagship will be aligned with European and national priorities to guarantee its successful long term operation and maximal impact on the national industrial and research communities.Together, the scientific and technological objectives and operative targets will allow us to reach our societal goals: the Flagship will contribute to sustainable development by introducing new energy efficient and environmentally friendly products based on carbon and other abundant, safe and recyclable natural resources, and boost economic growth in Europe by creating new jobs and investment opportunities.

Beendete Forschungsprojekte am Department Chemie und Pharmazie

  • New hybrid-nanocarbon allotropes based on soluble fullerene derivatives in combination with carbon nanotubes and graphene. Application in organic solar cells and biomaterials.
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.05.2017 - 30.04.2019
    Mittelgeber: European Fellowships (EF)
    The overarching goal of the Hy-solFullGraph project is to undertake, from a molecular level, the synthesis of new functional hybrid materials based on carbon allotropes with outstanding properties. Synthetic carbon allotropes (SCAs) are regarded to be among the most promising candidates for future high performance materials. Precise control of the derivatisation will play a key role in tailoring their solubility and reactivity to maximise the advantages of their outstanding …
  • Three-dimensional nano-architectured electrode coupled to molecular co-catalysts for photoelectrochemical energy conversion
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.07.2016 - 30.06.2017
    Mittelgeber: Bayerische Staatsministerien
  • A preparative approach to geometric effects in innovative solar cell types based on a nanocylindrical structure
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.09.2015 - 31.08.2020
    Mittelgeber: ERC Consolidator Grant
  • Mechanistische Aufklärung der grundlegenden Reaktionsschritte, die in die metalloporphyrin-katalysierte Oxidation von Schwefelwasserstoff in wässrigem Medium unter aeroben Bedingungen involviert sind
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.08.2014 - 01.08.2017
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    H2S ist ein hochgiftiger und korrosiver umweltgefährdender Schadstoff, dessen Entfernung für die Schadstoffkontrolle und Anforderungen der industriellen Herstellungsprozesse notwendig ist. In unserem kürzlich erteilten Patent beschreiben wir eine Erfindung, dass speziell modifizierte wasserlösliche Fe-, Mn-, Co- and Ni- Porphyrine (insbesondere hoch positiv geladene) für eine sehr effiziente katalytische Oxidation von H2S durch O2 in pH neutralen Medien genutzt werden können. Man benötigt keine zusätzliche Katalysator-Reoxidierung, da die Katalysator-Regenerierung während des katalytischen Zyklus stattfindet. Die Reaktion transformiert H2S entweder in festen (elementaren Schwefel) oder löslichen Produkte (Sulfit/Thiosulfat). Durch Wählen der entsprechenden pH-Bedingungen kann bestimmt werden, welches Produkt resultiert. Die grundlegenden Reaktionsschritte bei der katalytischen Aktivität bestimmter Metalloporphyrine ebenso wie der Charakter der Intermediate und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt sind allerdings vollständig unbekannt. Die Aufklärung dieser Punkte wird die Erkenntnis darüber liefern, welche Faktoren für die katalytische vs. stöchiometrische Reaktivität verschiedener Typen von Metalloporphyrinen verantwortlich sind. Als Wissenschaftler sind wir nicht allein mit der potentiellen Anwendung unserer Erfindung zufriedengestellt und darum suchen wir nach mechanistischen Erklärungen auf molekularer Ebene, um rationell katalytisch aktive Metallkomplexe, basierend auf dem Verständnis ihrer Kinetik, Thermodynamik, ihres Redox-Verhaltens und ihres Verhaltens in Lösung, entwickeln zu können. Deshalb repräsentieren diese Studien einen mechanistischen Ansatz mit kinetisch/thermodynamischer Analyse jedes einzelnen Reaktionsschrittes. Darüber hinaus stehen die geplanten Untersuchungen im Zusammenhang mit der Identifizierung und Charakterisierung der chemischen Natur der reaktiven Intermediate. Sie sind auch essentiell für die Beurteilung der katalytischen Fähigkeit der aktiven Spezies als Funktion verschiedener Faktoren, die sich aus der chemischen Identität und dem eingesetzten Porphyrin Katalysator ergebender Faktoren (Effekte des Porphyrinrings, des Meallzentrums, seines Spinzustandes und der axialen Liganden) und aus den gewählten Reaktionsbedingungen (T, pH oder Reaktionsmediums, der Konzentration von O2 und Katalysator etc.) ergeben. Spezielle Aufmerksamkeit wird auf die Redox-Eigenschaften der untersuchten hochgeladenen Metalloporphyrine als Funktion des pH und der Axialliganden gerichtet, um die Frage eines inner- vs. outer-sphere Elektronentransfers zu klären. Solche systematisch mechanistischen Studien der katalytischen H2S-Oxidation durch Metalloporphyrine wurden auf molekularer Ebene bisher nicht in der Literatur behandelt. Neben der Relevanz für akzeptable Technologien (Umwelt, Wirtschaft), werden die vorgeschlagenen Untersuchungen zu Fortschritten in unserem Verständnis von biologischen Effekten von H2S führen.
  • Waschkraftverstärker 2 - Fortsetzung
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.10.2012 - 31.10.2013
    Mittelgeber: Industrie
  • Elektrodenablagerungen
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 15.08.2012 - 14.08.2013
    Mittelgeber: Siemens AG
  • Cobalt Oxide Model Catalysis Across the Materials and Pressure Gap (COMCAT)
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.08.2012 - 31.08.2017
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Cobalt oxide has recently turned out to be a novel, highly active heterogeneous catalyst for key processes in future energy and environmental technology. This includes e.g. low-temperature CO oxidation, the related PROX reaction (preferential oxidation of CO in excess H2), the total oxidation of VOCs (volatile organic compounds), and the reforming of hydrocarbon oxygenates for hydrogen production. Most importantly, cobaltoxide- based catalysts hold a unique potential for replacing or reducing the demand for critical materials (noble metals and rare earth oxides). Despite these outstanding prospects, the origin of the surprising cobalt oxide surface chemistry has remained a mystery up to date. Neither the extreme dependence of activity on surface structure nor the mechanisms by which metal (e.g. Pd) and oxide (e.g. CeO2) modifiers enhance stability and activity are truly understood. The aim of this joint project is to acquire an understanding of the catalytic activity of cobalt oxide materials at the molecular level. Towards this aim the project partners bring together the complementary expertise for a state-of-the-art model catalysis (surface science) approach: (A) the atomic-level structural characterization of reactive sites on complex model catalysts, (B) mechanistic and microkinetic studies of catalytic reactions under UHV conditions, and (C) transfer of this knowledge to realistic reaction conditions by in-situ spectroscopy up to realistic ambient pressure conditions. We will take advantage of the leading expertise of one project partner in preparation of ordered cobalt oxide films, providing access to a unique library of bulk and surfaces structures. We will probe adsorption and reaction on these surface structures, characterize relevant defects at the atomic scale with respect to their geometric and electronic properties, and subsequently modify these structures by metal (Pd) and oxide (CeO2) cocatalysts. In this project, we will mainly focus on low-temperature CO-oxidation and PROX, but perform first explorative work towards oxidation and reforming reactions. Simultaneously, we will cross the materials gap and the pressure gap for cobalt oxide catalysts for the first time and, finally, link the obtained knowledge to industrial-grade powder catalysts by in-situ spectroscopy from UHV to realistic reaction conditions. The interdisciplinary approach of this project will allow us to identify structure-functionality relationships of catalytic processes at an unprecedented level of detail and will guide rational strategies towards future development of complex multifunctional cobalt oxide catalysts.
  • Large Scale Production, Cloning, Chemical Functionalization and Materials Applications of Graphene
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.02.2010 - 31.01.2015
    Mittelgeber: EU - 7. RP / Ideas / ERC Advanced Investigator Grant (AdG)
    We propose the development of modern wet chemical concepts for the mass production and chemical modification of graphene - a rapidly rising star on the horizon of materials science - opening the door for superior but still elusive applications such as transparent electrodes, field effect transistors, solar cells, gas sensors and polymer enforcement. Owing to its spectacular electronic properties graphene is expected to be the most promising candidate to replace classical Si-technology and no longer requires any further proof of its importance in terms of fundamental physics. However, fully exploiting the proposed applications requires the availability of processable graphene in large quantities, which generally has been considered to be an insurmountable challenge. This is where the GRAPHENOCHEM project sets in. Our laboratory has been pioneering and is at the forefront of carbon allotrope chemistry. After having investigated basic principles for the functionalization of the 0-dimensional fullerenes and the 1-dimensional carbon nanotubes, which lead to synthesis of numerous examples of derivatives with tailor made properties, we recently started successfully with the investigation of wet chemical approaches for the efficient production of graphene sheets using graphite as an inexpensive starting material. The strategy of GRAPHENOCHEM is to combine chemistry, nanotechnology and materials science to establish highly efficient protocols for the mass production of soluble graphene and the subsequent processing to a whole variety of thins films, composites and devices with outstanding properties. To our knowledge we are the first synthetic organic chemists facing this challenge. We propose to go through the following sequential key objectives, namely: Development of efficient protocols for the mass production of soluble single layer graphene, cloning of graphene, chemical functionalization and doping of graphene, and engineering of graphene based materials and devices.
  • Directed synthesis of graphene nanoribbons
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.08.2008 - 30.08.2011
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Graphene confined in one dimensional spaces, e.g. ribbons, represents one of the most promising materials for nanoscale semiconductor devices. However, convenient methods of producing such materials on surfaces suitable for device manufacture are lacking. A new oligomer approach to the synthesis of graphene ribbons on semiconductor surfaces is proposed, based upon oxidative aryl-aryl coupling reactions and Diels-Alder chemistry. This method will surpass current approaches based upon high-temperature desilination of silicon carbide or upon high-temperature deposition of carbon atoms for graphene synthesis. Structures will be created through a novel “nanoembossing” technique, which uses hot-tip nanolithography to convert the graphene precursors into functional nanostructures. This technique will take advantage of the tremendous success and extensive literature in synthesizing free-standing graphitic molecules by a number of groups, including those represented here, as well as the new technique of hot-tip nanolithography. The intellectual merit of the proposed activity involves the development of an unprecedented “bottom-up” approach to the synthesis of graphene, using the unique capabilities of a group of four investigators, each of whom supplies a critical piece of technology. The broader impact of the research stems from the potential breakthrough technology proposed, which may open up a new and potentially revolutionary approach to nanocircuit design, and to the strengthening of ties among several heretofore unlinked groups, providing a unique educational experience for Ph.D. students.
  • Schalt- und funktionalisierbare Liposomen und strukturpersistente Mizellen
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.05.2003 - 30.07.2013
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Amphiphile Lipofullerene (A.L.F.) sind Fullerenhexaaddukte, die mit Alkylketten und mit hydrophilen Dendronen modifiziert sind. Die Dendrone besitzen als Endgruppen Säurefunktionen. Diese Verbindungen besitzen gegenüber herkömmlichen Amphiphilen einige neue Merkmale, die zu deutlich veränderten Eigenschaften der Liposomen führen. Sie bilden sehr stabile Liposomen, die darüber hinaus im Gegensatz zu herkömmlichen leicht in ihren Aggregationseigenschaften durch Veränderung des pH-Wertes manipuliert werden können. A.L.F. wurden bereits als Co-Lipide in Phospholipidliposomen und auch als Membranbaustein in reinen A.L.F.-liposomen verwendet. Ziel ist es diese neuartigen Liposomen zum Transport hydrophober Wirkstoffmoleküle einzusetzen. Der Transport kann entweder durch Einlagerung der Wirkstoffmoleküle im Inneren der Liposomen oder mit Unterstützung von Ankermolekülen auch an der Außenseite der Liposomen stattfinden. Um erfolgreich zu diesem Ziel zu gelangen ist es von entscheidender Bedeutung die Aggregationseigenschaften der schon von uns synthetisierten A.L.F. und den noch zu synthetisierenden A.L.F. mit Anker detailliert zu untersuchen. Dabei soll neben spektroskopischen Methoden wie NMR- oder UV-VIS-Spektroskopie vor allem die Cryo-Transmissions-Elektronenmikroskopie (Cryo-TEM) und statische bzw. dynamische Lichtstreuung (SLS, DLS) zum Einsatz kommen. Mit Hilfe dieser Methoden wird es möglich sein, die Stabilität und Art der Liposomen in Abhängigkeit von Temperatur, Konzentration und pH-Wert zu untersuchen. Mit den genannten Methoden und analytischer und präparativer Chromatographie (reversed Phase HPLC) soll auch die Einlagerung von hydrophoben Molekülen qualitativ und quantitativ nachgewiesen werden.

  • Teilprojekt P8 - Fracture in Polymer Composites: Meso to Macro
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik (FRASCAL)
    Laufzeit: 02.01.2019 - 30.06.2023
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
    URL: https://www.frascal.research.fau.eu/home/research/p-8-fracture-in-polymer-composites-meso-to-macro/
    The mechanical properties and the fracture toughness of polymers can be
    increased by adding silica nanoparticles. This increase is
    mainly caused by the development of localized shear bands, initiated by
    the stress concentrations due to the silica particles. Other mechanisms
    responsible for the observed toughening are debonding of the particles
    and void growth in the matrix material. The particular mechanisms depend
    strongly on the structure and chemistry of the polymers and will be
    analysed for two classes of polymer-silica composites, with highly
    crosslinked thermosets or with biodegradable nestled fibres (cellulose,
    aramid) as matrix materials.The aim of the project is to study the influence of different mesoscopic
    parameters, as particle volume fraction, on the macroscopic fracture
    properties of nanoparticle reinforced polymers.
  • Rissbildung in Nanopartikel-Polymer Kompositen: von der Nano- zur Mesoskala
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik (FRASCAL)
    Laufzeit: 02.01.2019 - 30.06.2023
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
    URL: https://www.frascal.research.fau.eu/home/research/p-3-fracture-in-polymer-composites-nano-to-meso/
    The abrasion and fracture toughness of polymers can considerably be
    increased by adding hard nanoparticles such as silica. This is
    mainly caused by the development of localized shear bands, initiated by
    the stress concentrations stemming from the inhomogeneity of the
    composites. Other mechanisms responsible for toughening are debonding of
    the particles and void growth in the polymer matrix. Both phenomena
    strongly depend on the structure and chemistry of the polymers and shall
    be explored for branched networks (epoxy) and matrices of nestled
    fibres (cellulose, aramid).The goal of the present project is to develop and apply dynamics
    simulation approaches to understanding polymer-nanoparticle and
    polymer-polymer interactions at i) the atomic scale and ii) at larger
    scales using coarse-graining.
  • Teilprojekt P1 – Chemie an der Bruchspitze
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik (FRASCAL)
    Laufzeit: 02.01.2019 - 30.06.2023
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
    URL: https://www.frascal.research.fau.eu/home/research/p1-chemistry-at-the-crack-tip/
    The chemical environment can critically affect the fracture processes,
    leading to subcritical crack growth. The inner surfaces of
    the cracks are covered by adsorbates from the surrounding liquid or gas
    phase. When bonds break in the course of crack propagation, these
    adsorbates strongly react with the newly created surfaces, for example,
    by saturating the broken bonds. Examples are stress corrosion cracking
    in metals and semiconductors or the moisture-driven crack growth in
    silica. In both cases, the crack propagation induces and drives the
    incorporation of oxygen species, leading to an oxidation/hydroxylation
    of the inner surfaces, which completely alters the chemistry at the
    crack tip.In this project we propose to study the complex interplay between bond
    breaking at the crack tip and the adsorption/bond saturation with
    molecules from the environment by MD simulations. The aim is to obtain
    mechanistic insights into environmentally-assisted fracture for model
    ceramic materials.
  • Teilprojekt P7 - Collective Phenomena in Failure at Complex Interfaces
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik (FRASCAL)
    Laufzeit: 02.01.2019 - 30.06.2023
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
    URL: https://www.frascal.research.fau.eu/home/research/p-7-collective-phenomena-in-failure-at-complex-interfaces/
    Interface failure in both tension and shear is characterized by a
    dynamic interplay of local processes (breaking of bonds, interface
    contacts or – in case of frictional interfaces – asperities) and
    long-range elastic load re-distribution which may occur either
    quasi-statically or in a dynamic manner associated with wave propagation
    phenomena and can be mapped onto a network of partly
    break-able load transferring elements. This interplay may give rise to
    complex dynamics which are strongly influenced by contact geometry and
    also the chemical properties of the interface. A particularly simple
    case is the transition from static to sliding friction between
    continuous bodies where such dynamic collective phenomena are being
    discussed under the label of ‘detachment waves’.The goal of P7 is to generalize this concept of ‘detachment waves’ to
    general problems of failure of frictional or adhesive joints, and to
    interfaces and bodies which possess a complex multi-scale chemical or
    geometrical structure, including hierarchical geometrical structures as
    encountered in biosystems.
  • Graphene-based disruptive technologies
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Graphene-based revolutions in ICT and beyond
    Laufzeit: 01.04.2016 - 31.03.2018
    Mittelgeber: Future and Emerging Technologies (FET)
  • Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    Laufzeit: 30.03.2015 - 29.12.2020
    Mittelgeber: Future and Emerging Technologies (FET)
    This Flagship aims to take graphene and related layered materials from a state of raw potential to a point where they can revolutionize multiple industries - from flexible, wearable and transparent electronics, to new energy applications and novel functional composites.Our main scientific and technological objectives in the different tiers of the value chain are to develop material technologies for ICT and beyond, identify new device concepts enabled by graphene and other layered materials, and integrate them to systems that provide new functionalities and open new application areas.These objectives are supported by operative targets to bring together a large core consortium of European academic and industrial partners and to create a highly effective technology transfer highway, allowing industry to rapidly absorb and exploit new discoveries.The Flagship will be aligned with European and national priorities to guarantee its successful long term operation and maximal impact on the national industrial and research communities.Together, the scientific and technological objectives and operative targets will allow us to reach our societal goals: the Flagship will contribute to sustainable development by introducing new energy efficient and environmentally friendly products based on carbon and other abundant, safe and recyclable natural resources, and boost economic growth in Europe by creating new jobs and investment opportunities.
  • Einfluss von Dispersionswechselwirkungen auf die Reaktivität und die Chemo-, Regio- und Stereoselektivität in organokatalysierten Dominoreaktionen: Eine experimentelle und theoretische Gemeinschaftsstudie
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SPP 1807: Control of London dispersion interactions in molecular chemistry
    Laufzeit: 01.01.2015 - 01.01.2018
    Mittelgeber: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    URL: http://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/dispersion
    Ziel dieses gemeinsamen experimentellen und theoretischen Projektes ist die Entwicklung einfach durchführbarer, umweltfreundlicher Mehrschritt-Dominoreaktionen unter Zuhilfenahme von Dispersionswechselwirkungen in diesen neuartigen Systemen. Wir planen eine Serie von Mehrkomponenten-Dominoreaktionen durchzuführen, bei denen einfach zugängliche Nitroolefine und Aldehyde verwendet werden sollen sowie CH-acides Malononitril, die bekannt für ihre breiten Einsatzmöglichkeiten und ihre vielseitige Verwendbarkeit als ungewöhnlich reaktive Reagenzien sind. Der Schwerpunkt soll auf den folgenden drei, bis dato beispiellosen Reaktionen liegen: (i) eine Drei-Komponenten Zweischritt-Dominoreaktion bestehend aus einer Knoevenagel- und einer vinylogen Michael-Reaktion, (ii) eine Drei-Komponenten verzweigte Fünfschritt-Dominoreaktion bestehend aus Knoevenagel-, Nitro-Michael- und Nitroalkan-Michael-Reaktion gefolgt von intramolekularer Kondensation und Isomerisierung, (iii) eine Zwei-Komponenten Sechsschritt- Domino-Reaktion bestehend aus Knoevenagel-Reaktion, Dimerisierung, intermolekularer Kondensation, intramolekularer Aza-Michael-Reaktion, intramolekularer Kondensation und schließlich einer Isomerisierung. Detaillierte mechanistische Untersuchungen sollen einerseits mit konventionellen Dichtefunktionalmethoden ergänzt durch semiempirische Van-der-Waals- Korrekturen, andererseits mit neuartigen hochgenauen Dichtefunktionalmethoden durchgeführt werden, um Einblicke in die verblüffenden Unterschiede in Chemo-, Regio- und Stereoselektivität dieser organokatalytischen Dominotransformationen zu gewinnen und insbesondere um den Einfluss von Dispersionswechselwirkungen in diesen Transformationen zu verstehen und auszunutzen. Die anvisierten Dominoreaktionen dienen des Weiteren als Testfälle, um Protokolle für eine Beschreibung organokatalytischer Reaktionen auf der Basis von Dichtefunktionalmethoden zu entwickeln.
  • Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    Laufzeit: 01.10.2013 - 31.03.2016
    Mittelgeber: EU - 7. RP / Capacities / Kombination Verbundprojekt mit Koordinierungs- und Unterstützungsmaßnahme (CP-CSA)
    This Flagship aims to take graphene and related layered materials from a state of raw potential to a point where they can revolutionize multiple industries - from flexible, wearable and transparent electronics, to new energy applications and novel functional composites.Our main scientific and technological objectives in the different tiers of the value chain are to develop material technologies for ICT and beyond, identify new device concepts enabled by graphene and other layered materials, and integrate them to systems that provide new functionalities and open new application areas.These objectives are supported by operative targets to bring together a large core consortium of European academic and industrial partners and to create a highly effective technology transfer highway, allowing industry to rapidly absorb and exploit new discoveries.The Flagship will be aligned with European and national priorities to guarantee its successful long term operation and maximal impact on the national industrial and research communities.Together, the scientific and technological objectives and operative targets will allow us to reach our societal goals: the Flagship will contribute to sustainable development by introducing new energy efficient and environmentally friendly products based on carbon and other abundant, safe and recyclable natural resources, and boost economic growth in Europe by creating new jobs and investment opportunities.
  • Geometric and electronic structure of metal-organic nanowires
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: In-situ Characterization of Nanomaterials with Electrons, X-rays/Neutrons and Scanning Probes
    Laufzeit: 01.10.2013 - 30.09.2017
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
    Metal-organic charge-transfer complexes based on TCNQ shows exciting electrical or photochemical switching properties, which involves modification of the valence state of TCNQ (TCNQ-/TCNQ°). We use complementary microspectroscopic tools to investigate in-situ the switching behaviour of individual Ag-TCNQ nanocrystals. Structural probes like Nano-XRD and electron diffraction are considered to offer insight into potential structural modifications upon electrical switching.
  • Mechanical switching of molecules on surfaces
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: In-situ Characterization of Nanomaterials with Electrons, X-rays/Neutrons and Scanning Probes
    Laufzeit: 01.10.2013 - 30.09.2017
    Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
  • Theorie
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: FOR 1878: funCOS - Funktionale molekulare Strukturen auf komplexen Oxidoberflächen
    Laufzeit: 01.08.2013 - 01.08.2016
    Mittelgeber: DFG - Forschergruppen
    URL: http://www.funcos.uni-erlangen.de/

    Das Projekt hat ein umfassendes mikroskopisches Verständnis der Adsorbat-Substrat- und der Adsorbat-Adsorbat-Wechselwirkungen von funktionalisierten organischen Molekülen auf strukturierten Oxidoberflächen mittels elektronischer Strukturrechnungen zum Ziel, das letztlich die kontrollierte Herstellung organischer Filme mit spezifischen strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften ermöglichen soll. Die erste grundlegende Wechselwirkung, die Adsorbat-Adsorbat-Wechselwirkung, charakterisiert und bestimmt die Bindung organischer Moleküle an reine Oxidoberflächen oder niedrig koordinierte Adsorptionsplätze. Die Modifikation dieser Bindung durch verschiedene Linkergruppen verändert die Bindungsgeometrie und -stärke und kann in der Folge die zweite grundlegende Wechselwirkung, die Adsorbat-Adsorbat-Wechselwirkung, wie auch die Diffusionskinetik und die Strukturbildung beeinflussen. Die verschiedenen Wechselwirkungen sollen mit Hilfe von Dichtefunktionalmethoden, die durch Van-der-Waals-Korrekturen und gegebenenfalls durch Hubbard-U-Ansätze ergänzt werden, berechnet und analysiert werden. Bei der Untersuchung der Strukturbildung sollen auch semi-empirische Methoden zum Einsatz kommen, die die Behandlung großer molekularer Anordnungen auf strukturierten Oxidoberflächen ermöglichen. Adsorbierte organische Moleküle können neue photophysikalische und elektronische Eigenschaften aufweisen, die von Wechselwirkungen ihrer Grenzorbitale mit der Elektronenstruktur des Substrats herrühren. Ein weiteres Ziel des Projektes ist es, diese neuen Eigenschaften zu verstehen und mögliche Ladungstransferprozesse zwischen Adsorbat und Substrat, die ausschlaggebend für Anwendungen in den Bereichen Photovoltaik, Sensorik, Leuchtmittel und Photochemie sind, zu analysieren. Hierzu sollen ausgehend von Dichtefunktionalrechnungen zeitabhängige Dichtefunktionalmethoden und Methoden der Vielteilchenstörungstheorie eingesetzt werden.

     

  • Materials for a Magnetic Memory in Three Dimensions
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Materials for a Magnetic Memory in Three Dimensions
    Laufzeit: 01.12.2012 - 30.11.2016
    Mittelgeber: EU - 7. RP / Cooperation / Verbundprojekt (CP)
    M3d is a FP7 European project aiming at developing advanced magnetic materials suitable for designing a data storage solution in three dimensions (3D). Conventional planar (2D) devices are expected to reach the limits of scaling within less than a decade, so that long-term massive progress could only be achieved by exploiting the third dimension. We will develop the materials needed for such 3D memories based on magnetic shift-register devices, namely dense arrays of vertical magnetic wires in a matrix (race-track memory, IBM patent). In this concept series of bits are shifted along each wire, requiring only one read/write element per wire. Synthesis will rely largely on bottom-up routes to minimize production costs. In order to minimize risks, several strategies will be explored both for coding bits, data shifting, read&write schemes. We address NMP data storage call targets density (5-50Tbit/in2), and reasonable cost per Tbit (2-20€), going beyond the scalability of all-planar devices while remaining competitive in terms of speed and energy consumption (1-10GHz with zero seek time; 10-100 pJ/bit). In all four targets, 3D magnetic memories promise to outperform Hard Disk Drives, providing more storage capacity with less energy consumption. The project brings together relevant leading academic research groups in Europe. Two SMEs are also partners, one for material development (SmartMembranes, world leader in self-organized anodized products), and the European leader in Magnetic-RAM development, Crocus Technology.
  • Verbundvorhaben TubulAir+-: Schlüsseltechnologien für eine kostengünstig zu fertigende, mikrotubuläre Redox Flow-Batterie
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Verbundvorhaben TubulAir+-: Schlüsseltechnologien für eine kostengünstig zu fertigende, mikrotubuläre Redox Flow-Batterie
    Laufzeit: 01.11.2012 - 31.08.2017
    Mittelgeber: BMBF / Verbundprojekt
  • Großskalige Simulationen an Kohlenstoff-Allotropen (C01)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 953: Synthetische Kohlenstoffallotrope
    Laufzeit: 01.01.2012 - 01.01.2015
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
    Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Anwendung von schnellen parametrisierten quantenmechanischen Techniken (semiempirische Molekülorbital-Theorie und Dichtefunktional-basiertes tight binding, TB), um große Aggregate, die Kohlenstoff-Allotrope enthalten, zu berechnen und Reaktionsmechanismen zu bestimmen. Die dynamischen Eigenschaften von flexiblen molekularen Anordnungen werden sowohl mit klassisch-mechanischer als auch mit direkter TB Moleküldynamik und Metadynamik untersucht. Es werden sowohl Systeme aus den experimentellen Projekten untersucht als auch Strukturen, Wellenfunktionen und Elektronendichten für die anderen theoretischen Teilprojekte berechnet.
  • Quantenchemische Untersuchungen zu Bildung, Struktur, Energie und elektronischen Eigenschaften von Carbinen, Fullerenen und Graphenen (C02)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 953: Synthetische Kohlenstoffallotrope
    Laufzeit: 01.01.2012 - 01.01.2015
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
    URL: https://www.chemistry.nat.fau.eu/research/dfg/sfb953/
    Im Projekt sollen Kohlenstoffmaterialien, Fullerene, Polyine, Graphene wie auch bisher noch nicht synthetisierte Kohlenstoffallotrope wie beispielsweise Graphyne mit nichtempirischen elektronischen Strukturmethoden insbesondere etablierten wie neu zu entwickelnden Dichtefunktionalmethoden untersucht werden. Mit dem Ziel neue Kohlenstoffverbindungen und -materialien herzustellen sollen deren Bildung, Struktur und Energetik wie auch ihre spektroskopischen und elektronischen Eigenschaften analysiert und vorhergesagt werden.
  • Vereinigende Konzepte für die Chemie von synthetischen Kohlenstoffallotropen (A01)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 953: Synthetische Kohlenstoffallotrope
    Laufzeit: 01.01.2012 - 01.01.2015
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
    Das Projekt A1 stellt die Materialbasis für drei Verbindungsklassen (synthetic carbon allotropes – SCA) des SFB sicher, nämlich 1) Fullerene, 2) Kohlenstoffnanoröhren und 3) Graphen und jeweils deren Derivate. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete (WPs) unterteilt. Im WP1 wird der erste systematische Zugang zu SCA-Hydriden und –Carboxylaten, einschließlich der Entwicklung von Wasserstoff-Speicher-Systemen, der Postfunktionalisierung und dem effizienten Trennen von metallischen und halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren ausgearbeitet werden. Nicht-kovalente Funktionalisierung von SCAs mit verschiedenen Familien von Rylenen ist Gegenstand von WP2. In WP3 werden weitere spezifische SCA-Architekturen, wie kovalente Fulleren-Cluster und hierarchisch geordnete inter-SCA-Architekturen synthetisiert werden.
  • Chiral mono- and bifunctional organic catalysts: A joint experimental-theoretical approach to asymmetric organic synthesis (SPP 1179)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SPP 1179: Organocatalysis
    Laufzeit: 01.11.2006 - 01.06.2012
    Mittelgeber: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
  • Seven-/Six-Coordinate Iron and Managenese Complexes with Superoxide Dismutase Activity as Synthetic Enzymes (A 08)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 583: Redox Active Metal Complexes - Controlling Reactivity Through Molecular Architectures
    Laufzeit: 01.07.2004 - 30.06.2012
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
  • Porphyrinatometal-Dendrimer-Architectures as abiotic Model Systems for Globular Heme Proteins (B 03)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 583: Redox Active Metal Complexes - Controlling Reactivity Through Molecular Architectures
    Laufzeit: 01.07.2001 - 01.06.2012
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
  • Theoretische Studien zur Elektronentransfer-Katalyse (C 01)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: SFB 583: Redox Active Metal Complexes - Controlling Reactivity Through Molecular Architectures
    Laufzeit: 01.07.2001 - 01.06.2012
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)

  • Synthetische Kohlenstoffallotrope
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)
    Laufzeit: 01.01.2012 - 01.01.2015
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
    Synthetische Kohlenstoffallotrope wie Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen bilden gegenwärtig eine der vielversprechendsten Materialklassen mit enormem Entwicklungspotenzial für zukünftige Hochtechnologieanwendungen. Aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen, optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften wären mögliche Einsatzfelder: die Nano- und Optoelektronik, die Wasserstoffspeicherung, die Sensorik sowie die mechanische Verstärkung von Polymerkompositmaterialien. Aufgrund der zahllosen Möglichkeiten, sp-, sp2- und sp3-hybridisierte Kohlenstoffatome zu einem ausgedehnten Kohlenstoffgerüst zusammenzufügen, lässt sich die Existenz weiterer, bisher unentdeckter, aber schon theoretisch vorhergesagter Modifikationen postulieren. Vor der Nutzung der einzigartigen Möglichkeiten, die diese Stoffklassen bieten, müssen jedoch noch einige wesentliche Fragestellungen und Probleme untersucht werden. Dazu zählen insbesondere die Massenproduktion, die Trennung der Systeme, die Entwicklung von Syntheseprotokollen, das kontrollierte Doping mit Heteroelementen, die Solubilisierung und die chemische Funktionalisierung sowie der Aufbau hierarchischer Schichtstrukturen. Dies alles fordert eine zielgerichtete und interdisziplinäre Bündelung der Fachkompetenz der einzelnen Bereiche aus Chemie, Physik, Ingenieurwissenschaften und der Theorie sowie den Einsatz von entsprechenden High-End-Analytik-Tools. Die Universität Erlangen-Nürnberg verfügt bereits über die wahrscheinlich europaweit, wenn nicht sogar weltweit, größte wissenschaftliche Forschergemeinschaft, die sich dem Thema der Kohlenstoffallotrope widmet. Aus diesem Grund bietet Erlangen das perfekte Umfeld für den Sonderforschungsbereich. Er gliedert sich in drei Forschungsbereiche und zwei Zentralprojekte: Der Forschungsbereich A "Synthese und Funktionalisierung" bildet die Materialgrundlage des Sonderforschungsbereichs. Hier liegt der Hauptschwerpunkt auf der chemischen Funktionalisierung bestehender Systeme und der Entwicklung eines synthetischen Zugangs zu neuen Kohlenstoffmodifikationen. Daran schließt sich dann die systematische Untersuchung der physikalischen und materialtechnischen Eigenschaften sowie die Anwendungsimplementierung der entsprechenden Systeme an. Dieser analytische Bereich steht im Fokus der engen Zusammenarbeit des Forschungsbereichs B "Optische und strukturelle Eigenschaften" mit den beiden wissenschaftlichen Zentralprojekten, die hier mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie sowie Tandem-Massenspektroskopie einen fundamentalen Beitrag leisten. Der hochvernetzte und interdisziplinäre Ansatz des Sonderforschungsbereichs ist auch die Grundlage für die enge Einbindung des Forschungsbereichs C "Theorie". Sowohl klassische als auch quantenmechanische Rechnungen liefern hier die Basis für das tief greifende Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen, der Stabilität sowie der elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften der neuen Kohlenstoffallotrope und deren Derivate. Darüber hinaus liefert die Theorie konkrete Designansätze für die Darstellung und Erforschung von bisher unbekannten Formen des Elements Kohlenstoff.