Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Virtueller Baukasten für Werkstoffdesign

13.08.2010
Neue Nachwuchsforschungsgruppe am MPI-P will mit Computersimulationen ihrer Nanostrukturen Eigenschaften von Materialien vorab bestimmen. Daraus ergeben sich neue Perspektiven zur Entwicklung maßgeschneiderter Werkstoffe.

Das Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) hat eine neue For-schungsgruppe unter der Leitung von Davide Donadio ins Leben gerufen. Das Hauptaugenmerk der Nachwuchswissenschaftler liegt auf theoretischen Fragen zu Nanostrukturen von Materialien und deren Transporteigenschaften.

Wie verhalten sich diese Strukturen bei verschiedenen Temperaturen? Welche Eigenschaften und Merkmale zeigt ein Material, das aus Nanostrukturen aufgebaut ist. Welche Reaktionen lassen sich bei unterschiedlichen Drücken feststellen? Viele Merkmale eines Werkstoffs lassen sich erst durch Beobachtungen im Nanometerbereich, dem millionsten Teil eines Millimeters, ergründen und ableiten.

Die Wechselwirkungen seiner Atome sind für die spezifische Kombination seiner Eigenschaften verantwortlich. Anhand von Computersimulationen können neue Testmethoden erstellt werden, um Materialien mit ausgewählten Funktionen und Eigenschaften zu synthetisieren. Aus Sicht von Donadio bietet Mutter Natur dazu vielfältiges Anschauungsmaterial. Natürlich vorkommende Materialien, wie etwa Knochensubstanzen oder Muscheln, und deren Wirkungsweise in bzw. mit lebenden Organismen enthalten aussagekräftige Hinweise, die in das Design neuer Werkstoffe einfließen sollten. Der bionische Gedanke, die Vorbildwirkung natürlicher Vorlagen, ist nicht neu, setzt hier jedoch bereits im Nanobereich an.

Nano vom Sensor bis zur Eiscreme

Die Palette möglicher Anwendung, so Donadio, sei äußerst vielfältig und reiche von der Energiegewinnung bis hin zur Lebensmitteltechnik.

Die speziellen elektronischen und strukturellen Besonderheiten einiger Materialien ermöglichen es, Hitze in elektrische Energie zu wandeln. In Bauteile integriert, vereinen solche thermoelektrischen Materialien mehrere Funktionen auf sich: Sie bauen thermische Energie ab und können diese in demselben Prozess zu elektrischer Energie einer neuen Verwendung zuführen. Solche Materialien werden zum Beispiel in Sensoren verbaut, die in Luft- und Raumfahrttechnik Verwendung finden. Diese müssten, so Donadio, zukünftig bei ausgedehnteren Anwendungen weitaus effizienter arbeiten: „Es ist eines unserer Ziele die Voraussetzungen zur Entwicklung effektiverer thermoelektrischer Materialien zu erforschen. Daneben untersuchen wir wärmeableitende Nanomaterialien, wie etwa Graphen, die zum Beispiel die Oberflächen von Computerchips kühlen könnten. Graphen, aus einer Schicht Kohlenstoffatomen bestehend, besitzt die bis dato höchste Wärmeleitfähigkeit aller uns bekannten Materialien. Das eröffnet uns eine großartige Perspektive für neue Forschungen und Anwendungen in Verbindung mit der Nanotechnik.“

Die Auswirkungen der Kristallisation lassen sich anschaulich beim Genuss von Speiseeis beobachten. Der Effekt ist allgemein bekannt: Der Appetit auf ein Eis steigt bei sommerlichen Temperaturen besonders. Holt man es aus dem Gefrierfach, um ein Schälchen zu naschen, beginnt es sofort zu schmelzen. Mit dem erneuten Einfrieren vergrößern sich an der geschmolzenen Oberfläche die bis dahin mikroskopischen Eiskristalle und werden sichtbar. Viele Konsumenten empfinden dies als Qualitätsverlust. Auch in diesem Fall ist das Kristallisationsverhalten des Eises durch seine spezifischen Mikrostrukturen vorgegeben. Signifikant ist der Zusammenhang zwischen Struktur und Temperaturverhalten. Dieser lässt sich verändern – unabhängig davon, ob Schokoladen- oder Fruchtgeschmack. Wie dies geschehen kann, versuchen Donadio und sein Team zu simulieren.

Als besonders wichtig erachtet Donadio die enge Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Arbeitsgruppen des MPI-P: „Unsere Forschungsvorhaben sind theoretischer Natur, bauen aber auf experimentellen Erkenntnissen auf. Wir werden uns deshalb mit den Forschungsgruppen hier am Institut austauschen und unser Wissen eng vernetzen.″

Daneben möchte er auch mit Unternehmen kooperieren, die mit den Ergebnissen der Forschungsgruppe die Weiterentwicklung ihrer Produkte vorantreiben.

Der aus Norditalien stammende Donadio beschäftigte sich bereits während seines Studiums in Mailand sowie bei seinen Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich und der University of California in Davis mit Nanostrukturen aus Kohlenstoff, Kristallisationsprozessen und thermoelektrischen Materialien. Am MPI-P besitzt er nun die Möglichkeit mit einem Team diese Arbeit in einem größerem Maßstab fortzusetzen.

Stephan Imhof | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpip-mainz.mpg.de/~donadio/tnt/Welcome.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen
27.06.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Immunabwehr: Wie Proteine Membranbläschen zusammenbringen

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Auto lernt vorauszudenken

28.06.2017 | Maschinenbau

Der Satellitenblick auf die Dürre in Kenia

28.06.2017 | Geowissenschaften