Lucas Viani (Ribeirão Preto, Brasilien, 1983) forscht im Bereich organischer Halbleiter am Universitätsinstitut für Modellierung und Simulation in Fluiddynamik, Nanowissenschaften und Industriemathematik „Gregorio Millán Barbany“ der Carlos III Universität Madrid (UC3M) im Rahmen des UC3M CONEX (CONnecting EXcellence) Programms.Dieses Programm zur Gewinnung von Talenten wird von der Europäischen Union (Marie-Curie-Maßnahmen des FP7), dem Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit und der Banco Santander unterstützt.
Wie hoch ist der Anteil der Physik und wie hoch der Anteil der Chemie in Ihrer Forschung?
Die Materialwissenschaft ist ein interdisziplinäres Feld, in dem Physiker, Chemiker und Ingenieure zusammenarbeiten und unterschiedliche Perspektiven auf ein und dasselbe Problem einbringen, um ein gemeinsames Ziel zu verfolgen: die Entwicklung und Verbesserung bestehender Materialien. Hauptziel der Materialwissenschaft ist es, durch Innovationen den Bedürfnissen der modernen Gesellschaft gerecht zu werden. Zu den aktuell erforschten Themen gehören die Reduzierung des Energieverbrauchs von Geräten, die Erhöhung der Energiespeicherkapazität von Batterien und die Entwicklung von Systemen, die Lösungen auf Basis erneuerbarer Energien bieten und somit Energie aus Sonnenlicht, Wind und Erdwärme (Geothermie) gewinnen können.
Welche Anwendungsgebiete haben organische Halbleiter?
Organische Halbleiter bieten durch die intelligente Nutzung ihrer intrinsischen Eigenschaften (sie sind kostengünstig, flexibel, transparent und leicht) Lösungen für die vielfältigen Probleme unserer Zeit und ermöglichen so neue Konzepte und Designs für elektronische Geräte. Das beste Beispiel hierfür sind organische Leuchtdioden (OLEDs). Sie waren die ersten auf organischen Materialien basierenden Bauelemente, die in Serie gefertigt wurden, und haben die Displayindustrie revolutioniert, indem sie Hardware bieten, die deutlich weniger Energie verbraucht, eine höhere Bildqualität liefert und weniger Platz benötigt. Heute finden sie sich in Mobiltelefonen und ultradünnen, hochauflösenden Fernsehern und ermöglichen einzigartige Lösungen wie gebogene Fernseher und transparente Displays.
Wohin entwickelt sich die Reise in diesem Bereich?
Eine Gruppe von Geräten, darunter organische Photovoltaikzellen (OPVs), Feldeffekttransistoren (OFETs) und Laser (OSLs), sind vielversprechende Kandidaten, um den gleichen Weg wie OLEDs zu beschreiten und einen Teil des Marktes in ihren jeweiligen Segmenten zu dominieren, obwohl ihre noch geringe Leistung ihre großflächige Kommerzialisierung verzögert.
Inwieweit ließe sich die Leistungsfähigkeit von OPV- oder OLED-Technologien steigern?
Die OLED-Industrie ist heute hoch entwickelt, und es sind extrem effiziente Geräte auf dem Markt erhältlich. Aktuelle Herausforderungen bestehen darin, die Displayeigenschaften zu optimieren und Beleuchtungslösungen für Innenräume und architektonische Anwendungen zu entwickeln. Die OPV-Technologie hat ein Niveau erreicht, auf dem sie in einigen Bereichen mit verschiedenen Photovoltaik-Technologien konkurrieren kann, obwohl ihr Gesamtwirkungsgrad noch verbessert werden muss (der aktuelle Rekordwert liegt bei etwa 12 %, theoretisch wären 20 % bis 24 % möglich).
Was ist das Ziel Ihrer Forschung an der UC3M?
Ziel des von mir entwickelten Projekts ist es, durch computergestützte Methoden ein detailliertes Verständnis der Dynamik von Exzitonen in konjugierten organischen Materialien zu ermöglichen, um die Effizienz von elektronischen Bauelementen auf Basis organischer Materialien zu verbessern und deren Kommerzialisierung zu ermöglichen.
Wie gedenkt er dies zu erreichen?
Dies wird durch die Entwicklung eines theoretischen Werkzeugs erreicht, das die Dynamik des Energie- und Ladungstransports zwischen organischen Molekülen realistischer beschreibt und so Informationen validiert und bewertet, die experimentell bisher nicht zugänglich sind. Dadurch erhalten wir ein umfassendes Verständnis der Parameter dieser Mechanismen, was Zeit und Kosten bei der Synthese neuer Verbindungen spart. Dies wird durch die Überprüfung der Energietransfer- (ET) und Ladungstransfer-Eigenschaften (CT) vor der Synthese erreicht und ermöglicht gleichzeitig die Entwicklung neuer organischer Elektronikbauelemente durch die Beschreibung und Optimierung ihrer relevanten Eigenschaften.
Welche Methodik verwenden Sie in Ihrer Forschung?
Die gängigsten Methoden zur Beschreibung der Langzeitdynamik des Elektronentransfers (ET) in Systemen, für die keine analytische Lösung möglich ist, basieren auf stochastischen Verfahren zur Lösung der Pauli-Mastergleichungen oder auf einem statischen Ansatz. Dieser Ansatz extrahiert Molekülkonformationen aus klassischen Molekulardynamiksimulationen, die zur Vorhersage der ET- und CT-Dynamik mittels kinetischer Monte-Carlo-Methoden auf einem eingefrorenen Moment verwendet werden. In diesem Projekt integrieren wir diese verschiedenen Schritte, um den Verlust elektronischer und struktureller Informationen zu minimieren und zu vermeiden, der für eine detaillierte Vorhersage der dynamischen Eigenschaften unerlässlich ist.
Was ist der komplizierteste Aspekt bei der Durchführung dieser Studie?
Ich bin der Ansicht, dass jeder Schritt in einem Forschungsprojekt wichtig ist, von der ersten Konzeption über die Umsetzung bis hin zur Validierung. In jeder Projektphase müssen Entscheidungen getroffen werden, und es gibt verschiedene Ansätze, oft ohne vorherige Kenntnis des Ergebnisses. Meiner Meinung nach ist die Validierung der Methodik der wichtigste Schritt in diesem Projekt. Sie ermöglicht es uns, die Projektentwicklung in bestimmte Richtungen zu lenken und die Methodik im Laufe der Zeit auf verschiedene Systemtypen zu übertragen.
Werden dabei computergestützte Methoden angewendet? Besteht ein Zusammenhang mit der von ihm entwickelten MView-Software?
MView ist eine Software, die ich in den letzten Jahren entwickelt habe, um computergestützte Methoden zu zentralisieren und zu verallgemeinern. Ihr Hauptziel ist derzeit die Bereitstellung von Werkzeugen zur Analyse und Visualisierung (über eine OpenGL-Schnittstelle) molekularer Eigenschaften und Dynamiken. Die aus dem CONEX-Programm hervorgegangenen theoretischen Werkzeuge werden ebenfalls integriert, was zu einer benutzerfreundlicheren Oberfläche führt und die Nutzung für andere Forscher erleichtert.
Welche Vorteile bietet Ihnen die Forschung an der UC3M im Rahmen des CONEX-Programms?
Ich bin überzeugt, dass mir das CONEX-Programm eine hervorragende Möglichkeit bietet, mich auf meine Forschungsinteressen zu konzentrieren. Es ermöglicht mir, eigenständige Forschung zu betreiben und theoretische Werkzeuge zur Untersuchung der dynamischen Prozesse in organischen Halbleitern zu entwickeln. Die UC3M hat sich als Umfeld erwiesen, das die notwendige finanzielle, technologische und personelle Unterstützung für den Erfolg des Programms bietet.
Wo haben Sie vor Ihrem Eintritt bei UC3M im Rahmen von CONEX gearbeitet?
Vor meiner Zeit an der UC3M arbeitete ich an verschiedenen Exzellenzzentren in Europa, den USA und Brasilien. Ich schloss mein Physikstudium an der Universität Campinas ab und erwarb einen Master-Abschluss an der Universität São Paulo, Brasilien. 2007 begann ich meine Promotion an der Universität Mons, Belgien, unter der Betreuung von Dr. Jérôme Cornil. Dort untersuchte und charakterisierte ich Elektronentransfer (ET) und Ladungstransfer (CT) in supramolekularen Wirtssystemen mithilfe quantenmechanischer Berechnungen mit dem Ziel, neue Designs für organische Bauelemente zu entwickeln. Nach Abschluss meiner Promotion wechselte ich in die Forschungsgruppe von Dr. Jean-Luc Brédas am Georgia Institute of Technology. Dort konzentrierte ich mich auf das Verständnis von CT-Prozessen an typischen organischen und anorganischen Grenzflächen in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs). Im Jahr 2012 trat ich Dr. Benedetta Mennucci an der Universität Pisa bei, wo ich meine bisherigen Kenntnisse in die Praxis umsetzen konnte, indem ich die Eigenschaften des Elektronentransfers in biologischen Lichtsammelkomplexen erforschte und so zum Verständnis des Photosyntheseprozesses in Pflanzen und Bakterien beitrug.
Quelle: Wissenschaftliches Informationsbüro der Universität Carlos III. Madrid (UC3M): http://portal.uc3m.es/portal/page/portal/actualidad_cientifica/noticias/Entrevista_Lucas_Viani
Zusätzliches Videointerview: https://www.youtube.com/watch?v=8sag4MgwyaQ
