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 Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe
14.08.2018 | INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena

nachricht Europaweit einzigartiges Forschungszentrum geht an den Start
14.08.2018 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Latest News

Quantum bugs, meet your new swatter

20.08.2018 | Information Technology

A novel synthetic antibody enables conditional “protein knockdown” in vertebrates

20.08.2018 | Life Sciences

Metamolds: Molding a mold

20.08.2018 | Information Technology

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics