Geomaterialwissenschaft und Ressourcen

Das unzugängliche Innere der Erde verstehen, die extremen Bedingungen der Erde erforschen und bioinspirierte Innovationen schaffen

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Unsere Forschung verfolgt einen multidisziplinären Ansatz, bei dem fortschrittliche computergestützte Chemie und Hochdruck-Mineralogieexperimente kombiniert werden, um die Struktur und Dynamik des Erdinneren zu verstehen. Da der direkte Zugang zum Planeten begrenzt ist, simulieren wir die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften geologisch relevanter Materialien – Mineralien, Schmelzen und Flüssigkeiten – unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die tief im Erdinneren herrschen. Als Mineralphysiker führen wir Laborexperimente mit Diamantstempelzellen und In-situ-Spektroskopie- und Diffraktionsdiagnostik durch, um die Bedingungen im Erdinneren zu erzeugen. Parallel dazu verwenden wir First-Principles-Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und entwickeln fortschrittliche Machine-Learning-Potenziale, um das Materialverhalten zu modellieren, die Phasenstabilität vorherzusagen und experimentelle Daten zu interpretieren, um letztendlich unser Verständnis der Erdentwicklung und des Materialrecyclings von der Oberfläche bis zum tiefen Mantel zu vertiefen.

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Ein wichtiger Schwerpunkt liegt auf den Eigenschaften von Silikat- und Oxidschmelzen und Gläsern, die für das Verständnis von Prozessen von zentraler Bedeutung sind, die von frühen Ereignissen der Erdentstehung, wie der Kollision, die zur Entstehung des Mondes führte, bis hin zum modernen Vulkanismus und der vermuteten Tiefenschmelze an Grenzen wie der Kern-Mantel-Grenze reichen. Ebenso untersuchen wir die molekulare Struktur und Dynamik von wässrigen Flüssigkeiten unter Verwendung von hydrothermalen Diamantstempelzellen und Molekulardynamiksimulationen, da diese Flüssigkeiten für die meisten geologischen Prozesse in der Erdkruste und im Erdmantel von entscheidender Bedeutung sind. Unsere Arbeit befasst sich auch mit strukturellen Phasenübergängen und der Rolle von Grenzflächen, da die Kinetik dieser Veränderungen und der Transport entlang der Korngrenzen die geochemischen Prozesse und die Gesamtstabilität der Materialien in der Erde bestimmen.

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Die Rheologie oder Fließeigenschaften geologischer Materialien sind für das Verständnis der Dynamik der Erde von entscheidender Bedeutung. Wir untersuchen die Rheologie von Magma, das durch flüchtige Exsolution und Kristallgehalt begrenzt ist und die Art der Vulkanausbrüche sowie geothermische Prozesse steuert. Darüber hinaus untersuchen wir die Rheologie von Gesteinen anhand experimentell verformter Proben und natürlicher Verwerfungsgesteine, um Plattentektonik, seismische Aktivität und Materialflüsse besser zu verstehen. Schließlich wenden wir den Gesteinsmagnetismus an, um die Geschichte des Erdmagnetfeldes zu rekonstruieren, indem wir die thermochemische Remanenz von Vulkangestein analysieren und die Bedingungen untersuchen, unter denen diese wichtigen paläomagnetischen Aufzeichnungen erhalten bleiben oder verändert werden.

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Wir arbeiten auch daran, die thermochemische Remanenzbildung in Vulkangestein zu verstehen. Vulkangestein, dessen Eisenoxide während ihrer anfänglichen Abkühlung idealerweise eine thermoremanente Magnetisierung erhalten, ist für die Rekonstruktion der Geschichte der geomagnetischen Dipolstärke im Laufe der geologischen Zeit von entscheidender Bedeutung. Magnetomineralogische Umwandlungen, die während oder nach der Ablagerung des Gesteins auftreten, führen jedoch zu verschiedenen Arten thermochemischer Remanenzmagnetisierungen. Mithilfe von thermomagnetischen Experimenten, mikroskopischen Beobachtungen, Strukturanalysen und theoretischen Überlegungen untersuchen wir die Bedingungen, die zur Erhaltung oder Veränderung der paläomagnetischen Aufzeichnungen führen. Die Identifizierung solcher Bedingungen ist für eine zuverlässige Interpretation der Datenbank mit absoluten Paläointensitäten unerlässlich.

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Ein zweiter wichtiger Schwerpunkt unserer Arbeit sind bioinspirierte Materialien und Nanostrukturen. Unsere Forschung zur Biomineralisation konzentriert sich darauf, wie Organismen die Mineralbildung präzise steuern, um hochfunktionale, starke Strukturen wie Knochen, Schalen und Zähne zu bilden. Wir verwenden Organismen wie Kalkschwämme und Buntbarsche als Modellsysteme, um die Genetik, Evolution und hierarchische Struktur dieser mineralisch-organischen Nanokomposite zu untersuchen, insbesondere solche auf Apatitbasis, die für das Hartgewebe von Wirbeltieren von entscheidender Bedeutung sind. Dieses Verständnis wird in die Entwicklung biomimetischer Materialien umgesetzt, wie z. B. Apatit-Protein-Nanokomposite, die für Zahnreparaturen und Knochenimplantate geeignet sind und auf überlegene mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität abzielen.