Molekülbasierte Magnetwerkstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Magnetwerkstoffe sind Materialien, die primär aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften technisch genutzt werden. Bislang sind in kommerziellen Produkten nur metallische und keramische Magnete anzutreffen, die über relativ kostenintensive Produktionsprozesse, z.B. Schmelzgießen oder Sintern, hergestellt werden müssen. Magnetismus entsteht auf atomarer Ebene, wenn sich ungepaarte Elektronen in der Elektronenhülle des Atoms befinden, also ihr Bahndrehimpuls (Elektronenspin) nicht von einem zweiten gegensätzlich drehenden Elektron in derselben Schale kompensiert wird. Auf atomarer und molekularer Ebene können zusätzlich sogenannte Radikale, die ein oder mehrere freie Elektronen besitzen, magnetisches Verhalten zeigen. Es gibt für jedes Material eine kritische Temperatur, oberhalb derer die magnetischen Eigenschaften verloren gehen. Weiterlesen

Keramische Laserwerkstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Laser sind Verstärker von Lichtwellen, die Strahlung von sehr hoher Intensität in einem engen Frequenzbereich scharf gebündelt abgeben können. Dazu wird im Laserwerkstoff von außen, beispielsweise durch eine Entladungslampe, optisch angeregte Emission getriggert, indem Elektronen der laseraktiven Komponente im Werkstoff auf höhere Energieniveaus angehoben werden und beim Zurückfallen auf tiefere Niveaus Strahlung emittieren. Dieser Vorgang wird Pumpen genannt. Hierzu bedarf es eines Dotierungselements als laseraktive Komponente in der Werkstoffmatrix. Bei Festkörperlasern sind dies überwiegend Ionen der Elemente Neodym, Erbium, Praseodym, Ytterbium und Titan, die jeweils auf einer oder mehreren Wellenlängen emittieren. Weiterlesen

Füllstoffe für Polymernanokomposite

Stefan Reschke, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

Nanokomposite auf Polymerbasis sind seit ca. 25 Jahren Bestandteil der Werkstoffforschung. Von Anfang an wurde besonderes Augenmerk auf den Bottom-Up-Ansatz gelegt, der es im Prinzip erlaubt, Molekül für Molekül den für die jeweilige Anwendung idealen Werkstoff aufzubauen, Nanopartikel auf molekularer Ebene einzubinden, und so das volle Potential der Nanostrukturierung zu entfalten. Theoretische Überlegungen hatten sehr früh gezeigt, dass Komposite von Thermoplasten mit nanoskaligen Partikeln aus Tonmineralen in wichtigen Eigenschaften wie thermische Beständigkeit, mechanische Belastbarkeit (z.B. E-Modul, Streckgrenze) oder Diffusionswiderstand gegenüber Gasen um 50% bis 100% bessere Werte zeigen können als der polymere Basiswerkstoff alleine. Bereits Anfang der 1990er Jahre berichtete Toyota über die industrielle Verwendung eines solchen Tonmineral-Nanokomposites auf der Basis von Nylon. Weiterlesen

Mesokristalle

Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke

Unter einem Mesokristall (engl. Mesocrystal bzw. Mesoscopically Structured Crystal) versteht man eine dreidimensional periodische Anordnung aus Nanopartikeln, die – analog zu Kristallstrukturen aus Atomen und Molekülen – geordnet zu einem festen Gefüge zusammengelagert sind. Während die einzelnen Nanopartikel eine Größe von wenigen bis einigen hundert Nanometern aufweisen, liegen die Maße der aus den Partikeln aufgebauten Mesokristalle zumeist im Bereich einiger Mikrometer. Sie befinden sich im Übergangsbereich zwischen einkristallinem Material auf der einen und polykristallinem Material auf der anderen Seite und bieten Eigenschaften, die sich von beidem deutlich unterscheiden. Insgesamt ähneln ihre Eigenschaften denen von Nanokristallen – sie weisen ebenfalls eine hohe Porosität und eine große Oberfläche auf. Auch weitere vorteilhafte Eigenschaften von Nanopartikeln wie bestimmte optische oder elektronische Eigenschaften können im Verbund der Mesokristalle erhalten bleiben. Gleichzeitig weisen sie nicht die gesundheitlichen Gefahren auf, die von Nanopartikeln aufgrund deren geringer Größe potenziell ausgehen können, und sie sind leichter zu handhaben sowie mechanisch stabiler. Deshalb könnten Mesokristalle zukünftig insbesondere Nanomaterialien in einer Vielzahl an Anwendungen ersetzen. Weiterlesen

CO2 als Rohstoff

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist eine Reduktion der Emission von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Methan von größtem Interesse. Mit einem Anteil von mehr als 60% bildet CO2 den Hauptbestandteil dieser Gase. Aktuell wird ein Ausstoß von über 31 Gt CO2/Jahr und eine Atmosphären-Konzentration von annähernd 400 ppm verzeichnet. Dies entspricht einem Anstieg von über 40% gegenüber 280 ppm im 18. Jhd. – vor Beginn der Industrialisierung. Es wurden bereits einige Strategien entwickelt, um den Gesamt-CO2-Ausstoß zu verringern, beispielsweise durch Einsatz von Technologien mit höherer Energieeffizienz oder mit Hilfe erneuerbarer Energien. Weiterlesen

Electronic Skin

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Das größte Organ des Menschen, die Haut, besitzt eine außergewöhnliche Bandbreite an Eigenschaften. Einerseits ist sie so empfindlich, dass sie einen leichten Lufthauch oder verschiedenste Oberflächen erkennen kann, andererseits ist sie so widerstandsfähig, dass sie den Körper vor Schäden oder Erregern schützt. Hinzu kommen weitere Aufgaben wie das Messen der aufgebrachten Kraft beim Fassen von Gegenständen oder die Überwachung der Körperbewegungen. Anhand dieses biologischen Vorbilds wird nun vermehrt an Haut-inspirierten Oberflächen mit integrierter Elektronik geforscht, die solche, aber auch weitere Eigenschaften aufweisen, wie z. B. chemische Sensoren. Weiterlesen

Organische Photovoltaik

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Innovative Lösungen zur Verwirklichung der Energiewende sind fortwährend gefragt, wobei insbesondere mit der Photovoltaik bereits 5,3% des Nettostromverbrauchs in Deutschland gedeckt werden (Stand 2012). Damit gilt sie als äußerst zukunftsträchtige Technologie. Silizium- und andere Halbleiter-basierte Solarzellen zeigen mittlerweile sehr gute Wirkungsgrade (um die 20%) und sind bereits seit Jahren im Massenmarkt vertreten. Parallel dazu werden aktuell zudem enorme Fortschritte bei der Entwicklung organischer Photovoltaik (OPV) erzielt, einer Dünnschichttechnologie der 2. Generation. Dabei werden kleine organische Moleküle oder Polymere, die Halbleitereigenschaften aufweisen, für die Energiegewinnung genutzt. Die sehr leichten und flexiblen OPV-Zellen können mit einem vergleichsweise geringen Energieaufwand gefertigt werden, wobei die für die Herstellung benötigen Produktionsanlagen in der Regel keine aufwändige Infrastruktur benötigen. Weiterlesen

Organische 2D-Polymere

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Stefan Reschke

Neben anorganischen 2D-Materialien wie Graphen, Bornitrid und Molybdändisulfid wird auch seit über einem Jahrzehnt an zweidimensionalen organischen Strukturen geforscht. Die Bezeichnung „2D-Polymere“ wurde lange nicht klar definiert und beinhaltet z.B. lineare Polymerisierungsprodukte an Grenzflächen, unregelmäßig verknüpfte Polymere an Oberflächen oder mehrlagige Schichten in Polymerkristallen, teilweise ohne die für klassische Kunststoffe typische periodische Wiederholung von klar definierten Einheiten (Monomeren). Eine eingeschränktere Definition beinhaltet nur solche Materialien, die eine räumlich-periodische Wiederholung der Monomere aufweisen und deren Schichten als Einzelschichten beispielsweise aus Polymerkristallen isoliert werden können. Dabei ist die Schichtdicke abhängig von der Größe der Monomeren. Es ist anzunehmen, dass das Anwendungsspektrum dieser synthetischen zweidimensionalen Werkstoffe letztlich breiter sein wird als beispielsweise das des Graphens, da sowohl die Möglichkeit der nachträglichen Modifizierung als auch eine gezielte Herstellung von Monomeren mit bestimmten Eigenschaften möglich ist. Weiterlesen

Elektrische Energiespeicher auf Lithium-Basis

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Jürgen Kohlhoff

Batterien, die elektrische Energie in chemischer Form speichern können, sind derzeit die wichtigste Energiequelle in portablen und sonstigen mobilen Anwendungen. Vor allem sind sie aus heutiger Sicht das Schlüsselelement in Bezug auf eine konkurrenzfähige Elektromobilität, vom Fahrrad mit Hilfsmotor über vollelektrische PKW und LKW bis hin zu Wasser- und Luftfahrzeugen. Hierbei spielen wiederaufladbare Li-Ionen-Akkumulatoren aufgrund ihrer guten Gebrauchseigenschaften, z.B. minimaler Memory-Effekt und sehr hohe Zyklenzahl, aktuell die zentrale Rolle. Dennoch sind beispielsweise vollelektrische Fahrzeuge wie Tesla S oder Nissan Leaf mit praktischen Reichweiten von ca. 300 km respektive ca. 180 km und „Tankpausen“ von knapp einer bis zu acht Stunden schlecht vermittelbar, auch wenn z.B. in Deutschland ca. 60 % der täglichen individuellen Gesamtfahrstrecken (PKW) unter 50 km liegen und nur ca. 20 % der PKW täglich weiter als 150 km fahren. Darüber hinaus wird ein Potenzial von ca. 4 Mio. Kleintransportern für Handwerk und Zustellbetriebe geschätzt, deren tägliche Fahrleistung unter 100 km liegt – die also bereits mit heutiger Technologie vollelektrisch fahren könnten. Weiterlesen

Recycling von Seltenerdmetallen

Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke

Unter dem Begriff Seltenerdmetalle (auch Seltenerdelemente, SEE) werden üblicherweise die 17 chemisch sehr ähnlichen Elemente der Lanthanoiden sowie Yttrium und Scandium zusammengefasst. Sie finden seit gut zwei Jahrzehnten immer breitere Anwendung vor allem in Hochtechnologien oder „grünen“ Technologien wie der Windenergie oder der Elektromobilität. Eine große Rolle spielen sie insbesondere für den Einsatz in Legierungen, Permanentmagneten, NiMH-Akkumulatoren, Katalysatoren sowie als Leuchtstoffe. Weiterlesen