Prof. Christian Holm
Spezialisiert auf weiche Materie
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Womit beschäftigen Sie sich in Ihrer Forschung?
In meiner Forschung beschäftige ich mich mit weicher Materie. Das sind Materialien, die sich leicht verformen lassen, die aber Eigenschaften sowohl eines Festkörpers als auch einer Flüssigkeit aufweisen.
Wo genau findet man Weiche Materie?
Weiche Materie findet sich überall im Alltag, zum Beispiel in Kosmetika, in Cremes oder im Essen, aber auch in unserem Körper gibt es die DNS, die RNS, Proteine und Zellwände. Die bestehen alle aus Polymeren. Meistens tragen diese eine Ladung. Die geladenen Polymere sind die sogenannten Polyelektrolyte.
Welche Aufgabe haben Polyelektrolyte?
Ich erkläre das mal am Beispiel einer Babywindel. Diese besteht aus einem Material, dem sogenannten Superabsorber, der aus geladenen Polymeren aufgebaut ist, den Polyelektrolyten. Diese werden vernetzt, also verknotet zu einem Netzwerk, das man wie einen Schwamm auffassen kann. Dieser Schwamm ist dann in der Lage, sehr viel Wasser aufzunehmen und auch festzuhalten.
Das gleiche Material kann ich allerdings auch für eine komplett andere Anwendung benutzen. Wenn ich diesen trockenen Schwamm in Meerwasser lege, dann saugt er sich mit Wasser voll, lässt allerdings den Großteil der Salz-Ionen draußen, weil er ja schon innerhalb geladen ist. Nehme ich dann diesen Schwamm und drücke ihn aus, bekomme ich nach mehrmaliger Anwendung Trinkwasser.
Wie kann man sich Ihre tägliche Arbeit vorstellen?
Gemeinsam mit meiner Arbeitsgruppe entwickeln wir Computermodelle, in denen wir die Bewegung der einzelnen Atome und Moleküle nachvollziehen können. Dazu stellen wir Gleichungen auf, die die Kräfte zwischen den Teilchen beschreiben. Diese Gleichungen sind allerdings so kompliziert, dass wir den Computer brauchen, um sie zu lösen. Der Computer berechnet sozusagen im Zeitraffer einen Film der einzelnen Teilchenbewegungen und aus diesem Film, also aus der Gesamtheit der Teilchenbewegung können wir dann die Eigenschaften des Materials berechnen.
Welchen Herausforderungen stehen Sie dabei gegenüber?
Das Schwierige an dieser Arbeit ist, dass wir die Kräfte, die zwischen einzelnen Atomen oder Molekülen wechselwirken, nicht wirklich kennen. Diese Atome sind einfach zu klein als dass man sie im Experiment exakt ausmessen kann. Deshalb müssen wir Modellannahmen treffen, wie die Teilchen miteinander wechselwirken. Ein zweites Problem ist, dass ein sichtbares Stück Material Milliarden von Atomen enthält, die wir nicht wirklich auf den größten Supercomputern heutzutage berechnen können. Deswegen greifen wir zu folgendem Trick, dass wir einige Atome oder Moleküle zu größeren effektiven Teilchen zusammenfassen und dann versuchen, die Kräfte, die zwischen diesen effektiven Teilchen wirken, zu beschreiben.
Verfolgen Sie eine konkrete Anwendung?
In unsere Forschung stehen keine speziellen Anwendungen im Vordergrund. Wir machen reine Grundlagenforschung. Das Verständnis, das wir mit unseren Simulationen auf molekularer Ebene gewinnen, kann allerdings dazu führen, dass die Systeme viel besser verstehen und dabei auch in der Lage sind, uns neue Anwendungen auszudenken.
Wie ist der Stand der aktuellen Simulationsforschung?
DIe aktuelle Simulationsforschung ist heutzutage in der glücklichen Lage, dass wie in den letzten zwanzig Jahren auch sich die Computerleistung alle 18 Monate verdoppelt. Damit sind wir in der Lage, enorme Datenmengen zu produzieren. Allerdings müssen wir diese auch analysieren. Was sich dabei herausgestellt hat, ist dass oft die Modelle, die wir in diese Simulation hineinstecken, nicht wirklich die Realität wiedergeben können, sondern dass wir sie noch verfeinern müssen. Dieser Prozess der Verfeinerung und des Testens unserer Simulation an der Realität wird uns sicherlich auch die nächsten zwanzig Jahre noch beschäftigen. Und deshalb sehe ich für das Feld der Computerforschung eine rosige Zukunft.
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