Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein großer Sprung in eine neue Zeit: Millionenförderung für realistische Werkstoffsimulation

11.05.2015

Europäischer Forschungsrat fördert Max-Planck-Projekt mit 1,5 Millionen Euro

Der Europäische Forschungsrat fördert Dr. Blazej Grabowski, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), mit 1,5 Millionen Euro für einen Zeitraum von fünf Jahren für sein Projekt „TIME-BRIDGE“ (übersetzt: Zeitbrücke). Grabowski leitet zusammen mit seinem MPIE-Kollegen Dr. Cem Tasan die Gruppe „Adaptive Strukturwerkstoffe“.


Simulation eines Nanopillars, also eines nanoskopisch atomaren Turms. In der Simulation wurde der Nanopillar zusammengedrückt, wodurch die Oberfläche mit Defekten bedeckt wurde.

Jongbae Jeon, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH


Analoges Experiment. Bisher können die theoretischen und experimentellen Ergebnisse noch nicht vollständig miteinander vereint werden. Dies soll durch TIME-BRIDGE behoben werden.

Christoph Kirchlechner, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Bei dem jetzt bewilligten Forschungsprojekt geht es um die Entwicklung neuartiger Simulationsmethoden, die es in Zukunft erlauben, Materialeigenschaften, wie zum Beispiel die Festigkeit, kontrolliert zu optimieren.

Grabowski plant mit einer neuen theoretischen Herangehensweise Fortschritte auf diesem Gebiet zu erzielen, indem er ein grundsätzliches Verständnis der zeitlichen Abläufe auf der Nano- bis hin zur Makroskala innerhalb des Materials schafft. Unterstützt wird er hierbei von einem experimentellen Expertenteam um Dr. Christoph Kirchlechner, Leiter der Gruppe „Nano-/Mikromechanik von Materialien“ am MPIE.

Die Eigenschaften von Materialien hängen von ihrer atomaren Struktur und deren Dynamik ab. Dabei weisen die meisten Werkstoffe Defekte auf, die beides kritisch beeinflussen. So ging man lange Zeit davon aus, dass die theoretische Festigkeit eines Materials nicht erreicht werden kann, da diese erst bei perfekten Strukturen, existiert.

Experimente haben aber gezeigt, dass diese Annahme falsch ist - auf der Nanometerebene kann man zuvor unerreichte Festigkeiten, welche bis an die theoretische Grenze herangehen, nachweisen. Diese aus wissenschaftlicher Sicht höchst spannenden Ergebnisse sind allerdings noch nicht ausreichend verstanden, um sie industriell umsetzbar zu machen. Weitere Fortschritte sind nur durch den Einsatz von komplementären Simulationsmethoden möglich, die ihrerseits aber bisher unter dem sogenannten Zeitskalendilemma litten.

Mit speziellen Methoden simulieren die Materialwissenschaftler mehrere Millionen Atome, um die Wechselwirkungen der Defekte und somit die Einflussfaktoren auf bestimmte Eigenschaften eines Materials wie die Festigkeit, zu verstehen.

Hierbei stoßen sie auf das Zeitskalendilemma: die Atome in einem Material sitzen nicht auf festen Positionen, sondern vibrieren mit extremen Geschwindigkeiten um ihre Plätze. Mit gegenwärtigen Computersimulationen können die Wissenschaftler daher nur wenige Nanosekunden dieser Dynamik beschreiben. Das ist problematisch, weil die Dynamik der Defekte, wie sie experimentell gemessen wird und wie sie für die Festigkeit des Materials verantwortlich ist, sich im Bereich von Sekunden abspielt.

Dieses Intervall zwischen Nanosekunden und Sekunden konnte bisher nicht zufriedenstellend überbrückt werden.

Grabowskis Projekt „TIME-BRIDGE“ will genau dieses fehlende und wichtige Zeitintervall mit einer neuen Methode in der Simulation von Atomen beschreiben: der Pseudopotential-Methode. Diese Methode wird normalerweise zur Bestimmung der Dynamik von Elektronen, das heißt deren Bewegung, benutzt. Hintergrund ist, dass Elektronen, also negativ geladene Elementarteilchen, die Nähe des Atomkerns bevorzugen, um welchen sie kreisen.

Gleichzeitig stoßen sich die Elektronen gegenseitig ab, sodass sie den größtmöglichen Abstand voneinander haben. Hierbei bewegen sich die Elektronen nicht überall gleich schnell: in der Nähe des atomaren Kerns bewegen sie sich schneller als in dem Bereich zwischen den Atomkernen. Computersimulationen sind dabei durch die schnellste Bewegung im System limitiert.

Bei der Elektronendynamik wird dieses Problem durch ein sogenanntes Pseudopotential gelöst, welches die Attraktivität des Kerns und gleichzeitig das gegenseitige Abstoßen der Elektronen voneinander erfolgreich imitiert. Grabowski will nun dieses Konzept bei der Simulation von Atomen anwenden, um das Intervall zwischen den theoretisch beschreibbaren Nanosekunden und den experimentell relevanten Sekunden zu überbrücken und damit die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Materialien zu schaffen.

Im Fokus werden zunächst sogenannte Nanopillar-Untersuchungen stehen. Hierbei erzeugen die Wissenschaftler kleine atomare „Türme“, die später zusammengestaucht werden. Diese idealisierten Studien erlauben es die Wechselwirkung der Defekte untereinander mit hoher Präzision und systematisch zu bestimmen.

Die theoretischen Untersuchungen von Grabowski werden von hochgenauen Experimenten mit modernsten Elektronenmikroskopen unter der Leitung von Kirchlechner begleitet. Die enge Zusammenarbeit der Theoretiker und Experimentatoren ist ein wesentliches Merkmal von TIME-BRIDGE, dass die Erfolgschancen des Projektes immens steigert.

Die Förderung des Europäischen Forschungsrates gibt jungen Wissenschaftler die Möglichkeit ihre eigene Forschungsgruppe aufzubauen, um somit Talente frühzeitig zu fördern. Als angehende Führungskräfte sollen die geförderten Wissenschaftler europaweit unabhängige Forschung betreiben.

Weitere Informationen:

http://www.mpie.de

Yasmin Ahmed Salem | Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum
07.12.2016 | Technische Universität Graz

nachricht Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate
06.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops