Strukturbildung

Der Programmbereich “Strukturbildung” untersucht, wie sich Moleküle, Polymere und kolloidale Partikel zu Materialien verbinden. Er untersucht die grundlegenden Mechanismen der Strukturbildung und wendet sie an, um neue Materialien aus flüssigen Vorstufen herzustellen.

Wir untersuchen dazu, wie die Eigenschaften von Komposit- und Hybridmaterialien von ihrer Mikrostruktur abhängen und wie man sie verändern kann. Dazu variieren wir systematisch Größe, Geometrie, chemische Zusammensetzung und Anordnung der Materialbestandteile. Wir beobachten, wie Mikrostruktur und innere Grenzflächen entstehen und Materialeigenschaften bestimmen. Diese Methode wenden wir zum Beispiel auf transparent leitfähige Schichten aus metallischen Nanopartikeln für die Elektronik an, stellen so Komposite leitfähiger Polymere mit optisch aktiven Partikeln für Sensoren her und gestalten Suprapartikel aus optisch aktiven Nanopartikeln. Wir suchen Partikel, aus denen sich zukünftige “aktiven Nanokomposite” herstellen lassen, die mit Elektronik verbunden ihre Eigenschaften bei Bedarf verändern können.

Ihr Ansprechpartner

Kraus
Leiter Strukturbildung
Abteilung: Strukturbildung
stv. Leiter Innovationszentrum INM
Abteilung: Innovationszentrum INM
Telefon: +49 (0)681-9300-389
Sekretärin
Abteilung: PB-Sekretariat
Telefon: +49 (0)681-9300-274
    Unser wissenschaftlicher Ansatz

    Experimentell untersuchen wir Strukturbildung in kontrollierten Abscheide- und Beschichtungsapparaturen — verkleinerten und genauer steuerbaren Versionen technisch relevanter Beschichtungsmethoden. Mit in-situ-Analytik beobachten wir die Strukturbildung direkt. Durch Licht- und Röntgenstreuung, Elektronenmikroskopie, optische Spektroskopie und durch scharfes Nachdenken klären wir, wie im Beschichter Materialien entstehen. Unsere gut definierte Vorstufen und die direkte Beobachtung erlaubt detailliertere Einblicke, als sie in großtechnischen Prozessen möglich sind.

    Wir untersuchen, ob bestimmte Bildungsprozesse bekannten Phasenübergängen ähneln, ob sie weit entfernt vom Gleichgewicht stattfinden und wovon sie mikroskopisch bestimmt werden. Der Stofftransport ist entscheidend für die Strukturbildung, weil er bestimmt, ob Energieminima erreicht werden, ob eine stationäre Struktur entsteht oder sich ungeordnete Bereiche bilden. Wir untersuchen daher Fluidmechanik, Lösemitteleffekte und Diffusion in wechselwirkenden Dispersionen. Unser Arbeitsmodell betrachtet Interaktionen zwischen Materialbausteinen im Wechselspiel mit deren Mobilität, also ihrer Fähigkeit, sich in von Wechselwirkungen vorgegebenen optimalen Anordnungen zu sammeln.

    Mit Templaten und externen Feldern beeinflussen wir die Strukturbildung. Werden damit Randbedingungen und Energieminima vorgegeben, können wir Mikrostrukturen beeinflussen und aus der Reaktion des Systems Rückschlüsse auf die Anordnungsmechanismen ziehen. Solche Randbedingungen können entweder die geordneten Strukturen auf bestimmte Bereiche begrenzen oder die Position jedes einzelnen Partikels festlegen. Während die Partikelanordnung ohne Template von Interesse für die Herstellung von größeren Materialmengen ist, erlauben Template die Nutzung der Eigenschaften einzelner Partikel.

    Definierte Strukturen in Materialien

    Unter bestimmten Bedingungen bilden sich in weicher Materie geordnete Strukturen. Solche Anordnungsprozesse sind viel versprechende Wege zu Materialien, die auf einer Skala unterhalb eines Mikrometers geordnet sind. Sie können konventionelle Hochtemperatur- und Vakuumprozesse ergänzen. Schon kleine Energiedifferenzen reichen aus, um die Strukturbildungsprozesse in eine bestimmte Richtung zu lenken. Andererseits behindern bereits kleine Störungen die Strukturbildung, weshalb Prozessparameter wie Temperatur, Partikelbeweglichkeit und Lösemitteleigenschaften sorgfältig gewählt werden müssen. Die Empfindlichkeit des Ordnungsprozesses macht solche “bottom-up”-Strukturierungsmethoden interessant, aber auch schwierig.

    Strukturbildende Prozesse können Materialien erzeugen, die mit elektromagnetischer Strahlung stark wechselwirken, Eigenschaften der Ausgangspartikel vermischen, anisotrope Eigenschaften haben oder hierarchische Geometrie zeigen. Ihre möglichen Anwendungen reichen von funktionalen Oberflächenbeschichtungen bis hin zu elektronischen Bauteilen.

    Grenzflächen als Schlüssel zu Struktur und Funktion

    Im Zentrum unserer Arbeit stehen Grenzflächen: die Oberfläche von Partikeln, die mit Lösemitteln wechselwirkt; die Grenzflächen zwischen Partikeln, von denen elektrische Leitfähigkeit und optische Eigenschaften abhängen; aber auch die Grenzfläche zwischen flüssigem “Lack” und Luft beim Beschichten. Wir untersuchen, unter welchen Bedingungen Partikel und Moleküle an dieser Grenzfläche anreichern und wie man das für neue Materialien ausnutzen kann.