Kategorie: Themen

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

Elektrochrome Bauteile wie zum Beispiel Fenster mit elektrisch einstellbarer Transparenz bzw. Abdunkelung sowie wiederaufladbare Batterien und elektrochemische Kondensatoren (sog. Superkondensatoren) sind sich in Bezug auf Funktionsprinzip, Reaktionskinetik, Werkstoffeigenschaften und Konstruktionsprinzip der Bauteile sehr ähnlich. Hierzu gehört, dass ihnen ein schematischer Aufbau zueigen ist, der aus Elektrode, Elektrolyt und Gegenelektrode sowie einem externen Stromkreislauf besteht. Die elektrochrome Energiespeicherung ist ein sehr junges Konzept und befindet sich überwiegend im Forschungsstadium. Weiterlesen

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

Der Werkstoff Graphen weist hervorragende Charakteristika auf, die ihn für viele verschiedene Anwendungen hochinteressant macht. Ob er seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften sowie seine extrem hohe Festigkeit auch beim Einsatz als Volumenwerkstoff oder als Komposite beibehalten kann, ist jedoch in Teilen noch ungeklärt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass sich aufgrund der starken van-der-Waals-Kräfte die einzelnen Graphenschichten zu Graphit stapeln, wodurch sich die Eigenschaften wieder erheblich verschlechtern. Daher werden nun Graphen-Materialien entwickelt, bei denen die einzelnen Schichten in dreidimensionalen Netzwerken aufgespannt werden, ohne dass es zu einem Rearrangement zu Graphit kommt. Solche 3D Graphen-Netzwerke (3D-GN) werden je nach Strukturart als Graphen-Schäume (GF), Graphen-Schwämme (GS) oder Graphen-Aerogele (GA) bezeichnet. Ihre potentiellen Anwendungsgebiete entsprechen bislang weitestgehend denen von Graphen- oder Graphenoxid-Schichten, wobei sie in der Nutzung deutlich verbesserte Leistungen zeigen. Weiterlesen

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

Die weltweite Kunststoffproduktion steigt stetig an, und gleichzeitig nimmt auch die Herstellung biobasierter Kunststoffe immer weiter zu. Neben bekannteren Biokunststoffen wie Celluloseestern, Stärkeblends oder Polymilchsäure wird nun auch zunehmend Lignin als Rohstoff für Basischemikalien und die Herstellung wertvoller polymerer Werkstoffe eingesetzt. Lignin besteht aus einer Mischung aus drei verschiedenen Zimtalkoholen, die in pflanzlichen Geweben zwischen Cellulose und Hemicellulose eingelagert und zu Polymeren verknüpft werden. Auf diese Weise tragen sie wesentlich zu der besonderen Festigkeit verholzter Pflanzen bei. Das bisher eher als Abfallstoff betrachtete Lignin wird aus dem Zellwandmaterial verholzter Pflanzen, der Lignocellulose, gewonnen. Diese wird vor allem in der Papierherstellung als Rohstoffquelle für Cellulose und Hemicellulose benötigt. Weiterlesen

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

Gleichmäßige, mikroporöse Strukturen werden charakteristischerweise nur bei Feststoffen gefunden. Solche Werkstoffe mit definierten und stabilen Porengrößen, wie Zeolithe oder metallorganische Gerüstverbindungen, besitzen mittlerweile in den verschiedensten Anwendungsbereichen Bedeutung. So werden sie unter anderem als Gasspeichermedien, Reaktionsmedien oder zur Stofftrennung genutzt. Ein dazu komplementäres Gebiet stellt das Konzept der porösen Flüssigkeiten dar, das 2007 erstmals theoretisch diskutiert wurde. Die aktuell noch sehr junge Forschung auf dem Gebiet bewegt sich daher auch noch im Prototypenstadium. Weiterlesen

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

Unter High-Entropy Alloys (HEAs) versteht man Legierungen, in denen alle Elemente ungefähr equimolar, also in etwa gleicher Teilchenanzahl vorliegen. HEAs werden i.d.R. aus 4 oder mehr metallischen Elementen hergestellt. Dies unterscheidet sie fundamental von klassischen Legierungen, bei denen ein Element wie z.B. Nickel (in Nickel-Basislegierungen) oder Eisen (in Stählen) den Hauptanteil, die so genannte Basis, stellt, und alle weiteren Elemente in deutlich geringerem Anteil begleitend den Werkstoff bilden. Andere Begriffe, mit denen HEAs auch belegt werden, sind „Multi-Principal-Element Alloys“ (MPEAs) und „Complex Concentrated Alloys“ (CCAs). Weiterlesen

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

Unter ionischen Flüssigkeiten (engl. Ionic Liquids, ILs) versteht man Salze in flüssigem Zustand, sie sind also hauptsächlich aus positiv und negativ geladenen Ionen sowie kurzlebigen Ionenpaaren aufgebaut. Konventionelle Flüssigkeiten bestehen dagegen überwiegend aus elektrisch neutralen Molekülen, wie z.B. Wasser. Die überwiegende Zahl an ILs, die bei niedrigen Temperaturen (unter 100°C, Kochsalz zum Vergleich schmilzt bei ca. 800°C) flüssig ist, besteht aus organischen Salzen. Diese sind seit über 100 Jahren bekannt, werden aber erst seit ca. 25 Jahren intensiver untersucht, als gezeigt werden konnte, dass viele von ihnen an Luft und Wasser stabil bleiben. Weiterlesen

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

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

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

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