Komplexe Materialien auf Basis von seltenen Erden sind wichtig für viele Anwendungen, beispielsweise für Permanentmagnete oder Bildschirme. Die Chemie molekularer und nanoskaliger Verbindungen der seltenen Erden sowie ihre physikalischen Eigenschaften untersucht nun der Sonderforschungsbereich „4f for Future“. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert den Verbund, beteiligt sind die Philipps-Universität Marburg, die LMU München und die Universität Tübingen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB ab dem 1. Januar 2023 über vier Jahre mit über zehn Millionen Euro.
Hintergrund ist, dass die Molekülchemie von Seltenerd-Metallen noch erstaunlich wenig entwickelt ist. Jüngste Fortschritte auf diesem Gebiet zeigen, dass sich dies nun deutlich ändert: In den letzten Jahren haben dynamische Entwicklungen in der Chemie und Physik von molekularen Seltenerd-Verbindungen Grenzen und Paradigmen, die zuvor jahrzehntelang gültig waren, verschoben.
„Mit der gemeinsamen Forschungsinitiative ,4f for Future‘ wollen wir ein weltweit führendes Zentrum aufbauen, das diese neuen Entwicklungen aufgreift und weiter vorantreibt“, sagt SFB-Sprecher Prof. Peter Roesky vom Institut für Anorganische Chemie des KIT. Die Forschenden untersuchen dabei die Synthesewege und die physikalischen Eigenschaften neuer molekularer und nanoskaliger Seltenerd-Verbindungen mit dem Ziel, Materialien mit noch nie dagewesenen optischen und magnetischen Eigenschaften zu entwickeln.
Vom Standardmodell zu „neuer Physik“
Neben dem neuen SFB wird die DFG auch den SFB/Transregio „Phänomenologische Elementarteilchenphysik nach der Higgs-Entdeckung” (TRR 257) für weitere vier Jahre fördern. Den Forschenden des KIT, der RWTH Aachen und der Universität Siegen geht es hierbei um ein tieferes Verständnis der fundamentalen Konzepte, die dem sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik zugrunde liegen, das die Wechselwirkungen aller Elementarteilchen mathematisch schlüssig beschreibt. Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons wurde dieses Modell vor zehn Jahren experimentell bestätigt.
Andererseits kann das Standardmodell Fragen wie etwa zur Natur der dunklen Materie, der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie oder dem Grund der Kleinheit der Neutrinomassen nicht beantworten. Im TRR 257 werden Synergien geschaffen, um die Suche nach einer umfassenderen Theorie, die das Standardmodell erweitert, aus komplementären Richtungen anzugehen. So werden beispielsweise neue Verbindungen zwischen Flavour-Physik und der Phänomenologie an Hochenergiebeschleunigern geschaffen. Ziel des TRR 257 ist es, Wegbereiter bei der Suche nach einer möglichen „neuen Physik“ jenseits des Standardmodells zu sein.
Vermeidung von Waldbränden und Emissionen
Darüber hinaus verlängert die DFG den SFB/Transregio „Turbulente, chemisch reagierende Mehrphasenströmungen in Wandnähe“ (TRR 150) für eine dritte Förderphase. Derartige Strömungen lassen sich in einer Vielzahl von Vorgängen in Natur und Technik finden. Dazu zählen etwa Waldbrände, aber auch Prozesse bei der Energieumwandlung, bei denen Wärme-, Impuls- und Stoffaustausch sowie chemische Reaktionsabläufe durch die Interaktion zwischen einem Fluid und einer Wand beeinflusst werden.
Das Verständnis dieser Mechanismen und die Entwicklung darauf basierender Technologien sind die Ziele des SFB/Transregio an der TU Darmstadt und am KIT. Dazu werden Experimente, Theorie, Modellbildung und numerische Simulation synergetisch eingesetzt. Die beteiligten Gruppen des KIT beschäftigen sich dabei insbesondere mit chemischen Prozessen zur Vermeidung von Bränden und zur Reduzierung klima- und umweltschädlicher Emissionen.
