Forschungsprojekte
Die Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich der angewandten Materialchemie und erstrecken sich dabei von der Polymerchemie über Nanomaterialien bis zur synthetisch-organischen Grundlagenforschung. In den letzten Jahren hat sich sowohl die Forschung an als auch die Verwendung der 3D-Drucktechnik mittels Fused Deposition Modeling (FDM) als ein erfolgreicher Kernaspekt der Forschungsthemen herausgestellt.
Chemie in 3D-gedruckten Reaktionsgefäßen - 3D-Druck unter Schutzgasbedingungen
Die 3D-Drucktechnik kann für Chemiker in vielfältiger Weise hilfreich sein:
PROCESS 9/2018: Chemie unter Druck: Was bedeutet der Siegeszug der additiven Fertigung?
Der Druck von maßstabsgetreuen Modellen mit exakt skalierten Bindungslängen und -winkeln ist mittlerweile eine Routineaufgabe. Im Laufe der letzten Jahre wurde im Arbeitskreis der 3D-Druck mittels FDM innerhalb einer Schutzgasatmosphäre zur Herstellung von geschlossenen und gasdichten Reaktionsküvetten entwickelt. Die bis zu 10 bar druckstabilen Gefäße erlauben dabei durch den 3D-Druck geeigneter Geometrien die Aufnahme von IR- UV/Vis- und NMR-Messungen ohne Probenentnahme direkt im Reaktionsgefäß. Dabei sind keine Umbauten an den verwendeten Spektrometern nötig, um eine vollständige Reaktionskontrolle oder reaktionsmechanistische Aufklärung zu erhalten. Hervorzuheben ist u.a. die vollständige NMR-Transparenz der verwendeten nicht-deuterierten Matrixpolymere.
purmundus challenge 2018: 3D-gedruckte Reaktionsgefäße - der Weg zum digitalen Labor Handbuch Chemische Reaktoren, Springer Spektrum,2018: Spezielle labortechnische Reaktoren: 3D-gedruckte Reaktoren New J. Chem.2017, 41, 1925 - 1932: Sonogashira Coupling in 3D-Printed NMR Cuvettes: Synthesis and Properties of Arylnaphthylalkynes Helv. Chim. Acta 2016, 99, 255 - 266: 3D-Printing Inside the Glove-Box: A Versatile Tool for Inert-Gas Chemistry Combined with Spectroscopy Jahresbericht der TU Clausthal Highlights 2015: FDM-3D-Druck unter Schutzgasbedingungen
Die Schutzgasumgebung liefert dabei eine bessere Schichthaftung der FDM-gedruckten Objekte. Wir konnten eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch den FDM-Druck unter Schutzgasbedingungen aufzeigen, was als Grundlage für die Entwicklung von verbesserten FDM-3D-Druckern dienen soll.
Prog. Addit. Manuf. 2016, 1, 3 - 7: Improved Mechanical Properties of 3D-Printed Parts by Fused Deposition Modeling Processed under the Exclusion of Oxygen
Moderne Materialien
Unter anderem für den 3D-Druck, aber auch für andere Anwendungen des Alltags, wird an funktionalisierten Monomeren und Polymeren, welche N-Donoren als metallbindende Liganden tragen, gearbeitet. Insbesondere zur Stabilisierung der biologisch abbaubaren und aus erneuerbaren Ressourcen zugänglichen Polylactide ist die Entwicklung einer reversiblen durch Metall-Ionen induzierten Vernetzung von Interesse.
Tetrahedron2017, 73, 4472 - 4480: Reaction of N‐heterocyclic carbaldehydes with furanones – an investigation of reactivity and regioselectivity
Weitere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit dem Aufbau molekularer Architekturen. Ein Beispiel ist ein bestechend einfacher Weg, um eine freie radikalische Polymerisation in eine Quelle von Bottle-Brush-Polymeren zu verwandeln.
Polymer2017, 111, 258 - 264: Radical polymerization of styrene in presence of poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl-4-yl methacrylate) - formation of polymer brushes
Ein anderes Beispiel ist die Übertragung des Konzepts eines "Klettverschlusses" auf die molekulare Ebene, um reversible Verbindungen auf nanoskopischer Ebene zu schaffen.
Express Polym. Lett. 2018, 12, 556 - 568: Proof of concept for molecular velcro based on the attractive interaction between porphyrin and pyridine containing copolymers
Ein weiteres Forschungsgebiet konzentriert sich auf Herstellung wohldefinierter und hybrider "Single Chain Nanopartikel" (SCNP) durch Vernetzung von N-Donor-haltigen funktionalisierten Polymeren mittels Metallionen in hochverdünnter Lösung. Die so zugänglichen Partikel haben u.a. eine hohe katalytische Aktivität in Palladium-katalysierten Kreuzkupplungen gezeigt.
Polym. Chem. 2017, 8, 7546 - 7558: Hybrid single-chain nanoparticles via the metal induced crosslinking of N-donor functionalized polymer chains
Neben grundlegenden polymerphysikalischen Erkenntnissen wird dies als Startpunkt für die zukünftige Erzeugung katalytisch aktiver 3D-Druckmaterialien gesehen. Mittelfristig soll so ein ganzer Satz an Reaktionsgefäßgeometrien und katalytisch aktiven Druckmaterialien bereitgestellt werden.
Die praktischen Arbeiten werden mit begleitenden theoretischen Untersuchungen in Form von dichtefunktionaltheoretischen Rechnungen unterstützt.
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