Die Arbeitsgruppe Chemische Physik am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik erforscht Mechanismen chemischer Reaktionen unter idealisierten Bedingungen. Für die Experimente verwenden wir hochauflösende Massenspektrometer, um unter Ultrahochvakuumbedingungen isolierte Cluster zu untersuchen. Für die Spektroskopie und Photochemie kommen die Laser der Innsbruck Laser Core Facility zum Einsatz. Mit einem Rasterkraftmikroskop werden chemische Reaktionen in einzelnen Polymermolekülen mechanisch erzwungen. Quantenmechanische Berechnungen erklären die experimentellen Beobachtungen. Mit diesen Methoden untersuchen wir die Natur chemischer Bindungen und erklären vielfältige Phänomene, von der photochemischen Alterung von Seesalzaerosolen in der Atmosphäre über molekulare Katalysatoren und eisenhaltige Moleküle im Weltall bis hin zu polymeren Funktionsmaterialien.

Unsere Aufgabe ist die grundlagenorientierte, materialwissenschaftliche Bearbeitung von Fragestellungen zum Erhalt des materiellen kulturellen Erbes, um auf Problematiken aus der denkmalpflegerischen Praxis Antworten zu finden. Als AnsprechpartnerInnen und VermittlerInnen für die in der Denkmalpflege arbeitenden Institutionen, RestauratorInnen und HandwerkerInnen ist die Arbeitsgruppe Teil eines transdisziplinären und uniübergreifenden Netzwerkes. Eine wesentliche Kernkompetenz ist die analytische Charakterisierung mineralischer Baustoffe und deren Schadensproblematiken, die in aktuellen Forschungsprojekten zu den Themen Dolomitkalk, Stuck, Hochbrandgips, natürlich hydraulische Kalke und frühe Betone ausgebaut wird. Neben der Begleitung von Restaurierungen von Ruinenmauerwerk über Wandmalereien bis hin zu Kachelöfen werden die Themen Dauerhaftigkeit und Analytik von Werkstoffen Studierenden vermittelt.

Die Forschung in der Arbeitsgruppe Dielmann umfasst verschiedene Themen auf dem Gebiet der anorganischen Molekülchemie und der homogenen Katalyse. Ein übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung neuer katalytischer Verfahren zur Umwandlung von besonders reaktionsträgen kleinen Molekülen wie den Treibhausgasen Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Schwefelhexafluorid (SF₆) in höherwertige Verbindungen. Für die energieeffiziente und selektive Umwandlung dieser Moleküle entwickeln wir innovative Methoden zur Bindungsaktivierung, synthetisieren reaktive Verbindungen und untersuchen die zugrunde liegenden Mechanismen mit einer Kombination aus experimentellen, spektroskopischen und computerbasierten Methoden.

Computergestützte Methoden sind unverzichtbare Werkzeuge in der modernen Chemie und Materialforschung, da sie eine Reihe von Vorteilen im Forschungalltag bieten. Die computergestützte Chemie ermöglicht die Simulation komplexer chemischer Prozesse und des Verhaltens molekularer Systeme, die experimentell oft nur schwer oder gar nicht zu untersuchen sind. Quantenchemische Methoden liefern darüber hinaus detaillierte Informationen über die elektronische Struktur und die Eigenschaften von Molekülen und Materialien auf atomarer Ebene. Mit Hilfe dieser Verfahren lässt sich eine große Anzahl chemischer Verbindungen und Materialien effektiv und zeitsparend untersuchen, wodurch in vielen Fällen teure und zeitaufwändige experimentelle Versuche vermieden werden können. Die vielversprechendsten Kandidaten können dann von den experimentellen Arbeitsgruppen im Labor weiter untersucht werden.

Die Hohloch-Gruppe konzentriert sich auf die Verwendung von frühen Übergangs- und f-Block-Metallen in nachhaltigen und umweltfreundlichen Anwendungen. Diese reichen von der Verwendung dieser Elemente in molekularem Magnetismus, nachhaltiger Katalyse oder der Aktivierung von ansonsten inerten kleinen Molekülen wie N₂, CO₂ und H₂. Ein weiterer Schwerpunkt der Gruppe ist die Erforschung der allgemeinen Reaktivität von schweren Cyanaten der allgemeinen Formel [ChCPn]^- (Ch = Chalcogen, O, S, Se und Pn = Pnictogen, N, P, As). Das übergeordnete Ziel der Forschung ist es, neue Methoden und Wege zu finden, um diese Bausteine für die Synthese von  Grundstoffen für die chemische Industrie sowie von Spezialchemikalien mit potenziellen medizinischen Anwendungen zu nutzen/verfügbar zu machen.

Die Forschungsinteressen der Abteilung Festkörperchemie liegen in der explorativen synthetischen Entdeckung neuer Verbindungen in den Substanzklassen der Borate, Fluorid-Borate, Bor-Germanate, Bor-Gallate, Gallate, Borat-Nitrate, Gallium-Oxonitride, Seltenerd-Molybdate, intermetallischen Verbindungen und Boride. Hochentwickelte Syntheseverfahren werden unter Umgebungs- und Hochdruckbedingungen eingesetzt, zB unter Verwendung eines Hochfrequenzofens oder einer Multianvil-Hochdruckanlage. Zusätzlich zur klassischen Festkörpersynthese werden molekulare Vorstufen eingesetzt, um neue Verbindungen zu erzeugen. In erster Linie interessiert uns die Strukturaufklärung der unbekannten Verbindungen. Darüber hinaus stehen die Weiterentwicklung und Anwendung dieser neuartigen Materialien im Mittelpunkt unserer Arbeit, einschließlich Aspekten wie Ionenleitfähigkeit, optische Eigenschaften, nichtlineares optisches Verhalten, Lumineszenz, mechanische Eigenschaften, thermische Stabilität und Magnetismus.

Die Aktivitäten der Arbeitsgruppe sind an der Schnittstelle zwischen angewandter und grundlagenorientierter Forschung angesiedelt. Im Fokus steht die Materialentwicklung und Charakterisierung von Feststoffen, die im Bereich von industriellen Hochtemperaturprozessen auftauchen. Hierzu zählen zum Beispiel Produkte der Stahl-, Keramik-, Glas- und Bindemittel-, sowie der Feuerfestindustrie, die neben high-tech Anwendungen auch für viele Bereiche des täglichen Lebens direkt oder indirekt eine wichtige Rolle spielen (Ziegel, Sanitärkeramik, Fliesen und vieles mehr). Ein besonderer Schwerpunkt unserer Forschung liegt dabei bei sogenannten in-situ Messungen mittels verschiedenster Röntgenbeugungsverfahren, bei denen die Herstellung und der Einsatz von kristallinen Festkörpern unter möglichst prozeßnahen Bedingungen bis zu 1500 °C untersucht wird. Ferner können Einflüsse des kristallinen Aufbaus auf die Änderungen der Eigenschaften direkt verfolgt werden.

Unsere Arbeitsgruppe forscht an Materialien und Prozessabläufen für die pulverbettbasierte additive Fertigung – auch als 3D Druck bekannt – von metallischen Werkstoffen. Bei diesen Fertigungsverfahren wird Metallpulver durch einen Laser- oder Elektronenstrahl in einem schichtweisen Aufbauprozess selektiv verschmolzen. Dies ermöglicht die ressourceneffiziente Herstellung individuell angepasster Bauteile mit komplexen, hochfunktionalen Geometrien. Zusätzlich ist es möglich, die außergewöhnlichen Prozessbedingungen zu nutzen, um neue Werkstoffe mit einzigartiger Mikrostruktur und verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.

Unsere Forschungsschwerpunkte sind die Legierungsentwicklung, also die Entwicklung neuer, angepasster Werkstoffe auf Basis thermodynamischer Berechnungen, und die simulationsgestützte Prozessentwicklung, also die Entwicklung von Prozessstrategien um neue Werkstoffe defektfrei verarbeiten zu können. Wir beschäftigen uns mit hochschmelzenden Werkstoffen wie Molybdän und Wolfram, mit Titan- und Aluminiumlegierungen sowie mit Stählen. Für unsere anwendungsnahen Forschungsprojekte arbeiten wir eng mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen.

Wir untersuchen Grenzflächenprozesse, um die Reaktionswege und -mechanismen aufzuklären, die an der fest/flüssig-Grenzfläche während elektrochemischer Energieumwandlungs- und -Speicherprozesse ablaufen. Der Forschungsansatz der Gruppe basiert auf der Entwicklung und Anwendung von in-situ- und ex-situ-Analysetechniken, die auf Systeme mit zunehmender Komplexität angewendet werden. Diese reichen von einkristallinen Modellelektroden, die unter idealisierten Bedingungen untersucht werden, bis hin zu komplexeren, aber gut definierten nanostrukturierten Materialien, die in realen Brennstoff- und Elektrolysezellen oder Batterieumgebungen eingesetzt werden könnten.

Das Ziel unserer Forschung ist es, ein mechanistisches Verständnis von chemischen Prozessen auf atomarer Ebene zu erlangen, die an Oberflächen ablaufen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind die Synthese und Abbildung von zweidimensionalen organischen Gerüststrukturen für die Energieumwandlung. Wir nutzen Bildgebungstechniken, die auf hochauflösender Rastersondenmikroskopie basieren, um molekulare Nanostrukturen mit atomarer Auflösung darzustellen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Verfahren zur Messung photoangeregter Zustände in lichtsammelnden Funktionsmaterialien. Das Verständnis dieser lichtinduzierten Prozesse ermöglicht das Design photoaktiver Materialien mit verbessertem Energieumwandlungsprozess.

Mineralische Ressourcen sind für die Energiewende weg von fossilen Brennstoffen unerlässlich. Erzlagerstätten sind jedoch immer schwieriger zu finden, und neue Forschungsansätze sind nötig um ihre Entstehung zu verstehen. Unsere Forschung konzentriert sich auf die geologischen Prozesse, die zur
Bildung von Erzlagerstätten führen. Wir betrachten die Mechanismen im Großen und Kleinen, indem wir verschiedene Bereiche der Geowissenschaften wie Tektonik, Strukturforschung, Petrographie, Mineralogie und Geochemie miteinander verbinden.

Metall-Perovskit Grenzflächeneffekte in der Abgaskatalyse

Trockenreformierung von Methan auf perovskit- und legierungs/intermetall-basierten Katalysatoren

Hochtemperatur-Elektrolyse von CO2 und H2O

Unsere Gruppe konzentriert sich auf das mechanistische Verständnis von Prozessen an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Gas an Materialien, die für Reaktionen in der nachhaltigen Katalyse relevant sind, wie z. B. Methanoldampf- oder Methan-Trockenreformierung und die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden. Die Materialien reichen von Oxid- über Metalloxid-Systemen bis hin zu intermetallischen Verbindungen und Legierungen. Durch die Kombination von Modellsystemen unter Ultrahochvakuum und (Pulver-)Materialien unter technologisch relevanten Bedingungen ist es unser Ziel, die „Druck“- und „Material“-Lücke in der Katalyse zu schließen. Unser Ansatz besteht ausschließlich darin, in situ und operando strukturelle und spektroskopische Techniken zu verwenden, um das Katalysatorverhalten unter nahezu realen Bedingungen zu untersuchen. Dieser interdisziplinäre Ansatz beinhaltet die Zusammenarbeit zwischen Forschern aus verschiedenen Bereichen, darunter Materialwissenschaften, Chemie, Physik und Ingenieurwesen.

Die nachhaltige Energiespeicherung ist eine der großen Herausforderungen des einundzwanzigsten Jahrhunderts. Als Antwort auf die Bedürfnisse der modernen Gesellschaft und die aufkommenden Umweltbedenken ist eine verbesserte Energiespeicherung unerlässlich, um die Nutzung von mehr erneuerbaren Energien im Netz zu ermöglichen und den Übergang von benzinbetriebener zu kohlenstoffneutraler Mobilität zu schaffen. Daher sind neue chemische Prozesse, die von Natur aus ökoeffizient und umweltfreundlich sind, von entscheidender Bedeutung.

Meine Forschung widmet sich den Herausforderungen und Chancen neuartiger, innovativer Konzepte, chemischer Verfahren und Architekturen für moderne Energiespeichersysteme. Mein Ziel ist es, die Grenzen für fortschrittliche Energiespeichersysteme zu erweitern, die kostengünstig und umweltfreundlich sind.

Pickup von Atomen und Molekülen in hochgeladene Heliumtröpfchen ermöglicht die effektive Erzeugung größenselektierter Cluster und Nanoteilchen. Darüber hinaus können Ionen mit einigen Heliumatomen angerlagert erzeugt werden, die ideale Voraussetzungen für Spektroskopie bieten.

Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt auf der Entwicklung photoaktiver anorganisch-organischer Hybridmaterialien. Hybridmaterialien sind dabei Substanzen, die aus mindestens zwei Komponenten bestehen und im Zusammenspiel neue Eigenschaften aufweisen. So macht es die Kombination aus porösen Wirtsstrukturen mit photoaktiven Molekülen und Komplexen möglich, Photoschaltbarkeit (z.B. Änderung der Farbe durch Einstrahlung von Licht) und Leuchteigenschaften wie in Lösung oder sogar noch effizienter zu erreichen. Durch geeignete Wahl der Wirtsmatrix und des Gastes können diese Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Das ist vor allem hinsichtlich Anwendungen in der Datenspeicherung, in Sensoren oder OLEDs interessant.

Der gemeinsame Fokus unserer Forschungsprojekte ist die Verknüpfung von biologischen Motiven mit materialtechnischen Anwendungen und modernen verfahrenstechnischen Prozessen.

So nutzen wir zur Darstellung innovativer Materialien oftmals vielfältige Rohstoffe, die uns die Natur zur Verfügung stellt. Viele unserer Projekte folgen zudem dem Prinzip der Biomimetik. Dabei werden Prozesse aus der Natur abstrahiert und auf eine technische Fragestellung angewendet. Dies führte beispielsweise zu Kalmar-inspirierten Glasfaserverbunden und der Idee einer Schlangenhaut-inspirierten Kreislaufwirtschaft für lackierten Oberflächen.

Neben industrieller Anwendbarkeit der Materialien legen wir großen Wert auf ein tiefgehendes Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse und Strukturen. Dazu schauen wir z. B. mit hochauflösenden Mikroskopiemethoden tief in den Aufbau und die Chemie unserer Materialien.

Wir untersuchen zeitabhängige und dynamische Phänomene in komplexen Systemen. Hierbei setzen wir experimentell auf NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz-Spektroskopie), welche es uns ermöglicht, den zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen mit atomarer Auflösung zu beobachten und zu quantifizieren. Dies verschafft uns ein tiefgehendes Verständnis jener Faktoren, die die Effizienz chemischer Reaktionen bestimmen. Besonders interessieren uns dabei biologische Systeme, hauptsächlich Proteine und Proteinkomplexe. Diese Biomoleküle fungieren als hochspezialisierte und effiziente Katalysatoren verschiedenster chemischer Reaktionen. Zudem zeichnen sie sich durch ihre strukturelle Dynamik aus, eine für ihre Funktion wesentliche Eigenschaft, die NMR-spektroskopisch charakteri-siert werden kann. Aufgrund ihrer Komplexität stellen Biomoleküle eine experimentelle Herausforde-rung dar, die den Einsatz von Hochfeld-NMR-Spektroskopie erfordert.

Klimakrise und Rohstoffknappheit forcieren ein Neudenken unseres heutigen Wirtschafts- und Energiesystems, das auf fossilen und mineralischen Rohstoffen aufbaut; innovative bioökonomische Konzepte ermöglichen eine Abkehr von fossilen Rohstoffen als Basis unserer Produkte hin zu nachwachsenden Rohstoffen und biobasierten Materialien, die nachhaltig genutzt und möglichst lange im Kreislauf geführt werden. Eine große Rolle spielt dabei die Ausrichtung auf die regionale und nachhaltige Bereitstellung der Rohstoffe (mit Fokus auf Land-, Forst- und Abfallwirtschaft); insbesondere zu berücksichtigen ist in diesem Kontext die stark variierende Qualität der Rohstoffe, die mit kaskadisch ausgelegten Wertschöpfungsketten aufgefangen werden soll. Die Entwicklung entsprechend angepasster materialtechnologischer Lösungen und die daraus resultierende Produktentwicklung für Industriezweige wie die Bauwirtschaft und Mobilität sind Kernaufgaben der interdisziplinär aufgebauten Arbeitsgruppe.

Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Photovoltaik Technologien, wobei unser Schwerpunkt auf der Dünnschicht-Technologie (eng. Thin-Film Photovoltaics) liegt. Dünnschichtsolarzellen sind dünner als ein menschliches Haar und etwa 100-mal dünner als herkömmliche (Silizium basierte) Solarzellen. Vorteile sind: geringer Materialverbrauch, geringer Energieverbrauch in der Herstellung, niedriges Gewicht, und Flexibilität. Die Fertigung auf Folie (flexibel) eröffnet eine breitere Anwendungspalette und erleichtert die Integration von Photovoltaik, z.B. in Fahrzeugen, Gebäuden und Flugzeugen. Zudem können für die Herstellung sogenannte Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt werden. Unsere Forschungsgruppe führt umfassende Materialanalysen durch, um fundamentale Zusammenhänge zwischen Herstellung und Performance zu beschreiben. Neben der Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsprozesse testen wir diese an unserem Photovoltaik Outdoorteststand.

Unsere Gruppe untersucht die Physik und Chemie von Molekülen und deren Dynamik unter streng kontrollierten Bedingungen. Wir erforschen zum Beispiel die Reaktionsmechanismen von Ionen-Molekül-Reaktionen und sind besonders daran interessiert, die Bedeutung der Quantendynamik bei molekularen Kollisionen und chemischen Reaktionen zu erforschen. Außerdem entwickeln wir Methoden um molekulare Wechselwirkungen mit Hilfe von Lasern und Fallen zu kontrollieren und zu manipulieren.