Wie elastisch ist Nanomaterial?

RWTH-Forscher Moritz to Baben arbeitet an multifunktionalen Werkstoffen

Die Steifheit des Materials ist eine der grundlegenden Eigenschaften von Werkstoffen, da sie die Stärken der chemischen Bindungen im Material widerspiegelt. „Um die Steifheit zu ermitteln, sind in der Regel aufwändige Experimente oder Berechnungen notwendig“, so Dipl.-Ing. Moritz to Baben. Der Wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkstoffchemie der RWTH unter Leitung von Jochen M. Schneider, Ph.D. erklärt: „Mit Hilfe von quantenmechanischen Berechnungen können neue Materialien am Computer evaluiert und die Steifheit berechnet werden. Dabei nimmt die Rechenzeit allerdings mit der Anzahl der Atome im System überproportional zu: Verdoppelt man die Anzahl der Atome verachtfacht sich die Rechenzeit.“ Moritz to Baben entwickelte nun eine neue Berechnung für die Herstellung von multifunktionalen Werkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Diese wurde in der Rubrik Highlights der Zeitschrift „Nature“ aufgenommen.

Der Werkstoffchemiker interessiert sich seit seinem Studium dafür, wie neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften schnell und effektiv produziert werden können. Die Steifheit eines Verbundes aus zwei Materialien kann mit der so genannten Mischungsregel bestimmt werden: Der Wert von Anteil und Steifheit der beiden Materialien wird addiert, die Summe zeigt die Steifheit des Werkstoffverbundes an. „Diese Mischungsregel ist lange bekannt und wird üblicherweise hinunter bis zu einer Längenskala von 100 Nanometer benutzt, das heißt 0,0001 Millimeter“, so to Baben. Der Wissenschaftler konnte nun die Mischungsregel auf eine neue Längenskala erweitern und damit 99 Prozent Berechnungszeit einsparen. „Mein Verfahren ist für Systeme mit einer großen Anzahl an Atomen viel einfacher als das bislang verwendete. Ich konnte nachweisen, dass die Steifheit von Nanolaminaten auf diese Art bestimmt werden kann. Das bedeutet, dass die Mischungsregel auch auf atomarer Ebene, also auf Längen im 0,1 Nanometer-Bereich, benutzt werden kann“, so der 27-Jährige.

Am RWTH-Lehrstuhl für Werkstoffchemie arbeiten 20 Forscherinnen und Forscher intensiv am Design von multifunktionalen Werkstoffen mit maßgeschneiderten chemischen, mechanischen und Transport-Eigenschaften. Designkriterien sind zum Beispiel hohe chemische und thermische Stabilität verbunden mit einer bestimmten Steifheit. Gerade für das Design der nächsten Generation von Materialien für Energieumwandlungsprozesse ist das eine wichtige Voraussetzung: Hohe Prozesstemperaturen erhöhen hier den Wirkungsgrad. Um die Arbeitshitze zu überstehen, werden keramische Dünnschichten eingesetzt. „Keramik ist aufgrund ihrer geringen Schadenstoleranz aber nur bedingt einsetzbar. Wir evaluieren jetzt, ob Nanolaminate eine Alternative darstellen“, sagt to Baben.