Strukturbildung

Strukturbildung 10

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 “aktive Nanokomposite” herstellen lassen, die mit Elektronik verbunden ihre Eigenschaften bei Bedarf verändern können.

Kontakt

Prof. Dr. Kraus, Tobias 4
Leiter Strukturbildung
Abteilung: Strukturbildung
Telefon: +49 (0)681-9300-389
Dr. González-García, Lola 1
Stv. Leiterin Strukturbildung
Abteilung: Strukturbildung
Telefon: +49 (0)681-9300-269
Sekretärin
Abteilung: PB-Sekretariat
Telefon: +49 (0)681-9300-274

 

LAUFENDE PROJEKTE

    NanoSpekt: Transparente leitfähige Materialien basierend auf Nanopartikeln

    Flexible und druckbare Elektronik erfordert neue Materialien. In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit optisch transparenten Materialien für die Elektronik der Zukunft. Das BMBF-geförderte Projekt im Rahmen des NanoMatFutur-Programmes verwendet Nanopartikel mit definierten Formen und Anordnungen in Polymeren, um transparente Elektroden beispielsweise für berührungsempfindliche Bildschirme und Solarzellen zu fertigen. Chemiker, Materialwissenschaftler und ein Ingenieur arbeiten eng zusammen, um neue Materialien zu entwickeln, die mit den wohlbekannten Methoden des Nassbeschichtens und Druckens verarbeitet werden können.

    NanoSpekt

    Publikationen:

    ARNIM: Agglomeration von Nanopartikeln bei Mikrogravitation

    Moderne Methoden der „Selbstanordnung“ erlauben es uns, aus Nanopartikeln auch größere Strukturen herzustellen, deren Geometrie zu einem gewissen Grad definiert ist. Das ist für Materialien sehr interessant: Zum Beispiel lassen sich so elektrisch leitfähige Metall-Nanopartikel in einer isolierenden Matrix anordnen, um die Leitfähigkeit zu maximieren oder minimieren, je nachdem, ob man ein Dielektrikum oder eine elektrischen Leiter benötigt.
    Leider kommt dabei die Schwerkraft in die Quere: Größere Anordnungen von Metallpartikeln sind sehr filigran, aber schwer genug, um von ihrem eigenen Gewicht zerrissen zu werden, so dass beispielsweise die Konnektivität und damit Leitfähigkeit verloren geht. In Projekt ARNIM untersuchen wir mit Unterstützung des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt (DLR), ob man das durch Ausschalten der Schwerkraft verhindern kann. Dazu nutzen wir zunächst einen Fallturm (ZARM in Bremen) und „werfen“ Agglomerations-Experimente so, dass die Schwerkraft für wenige Sekunden aufgehoben wird. In Zukunft sind auch Experimente an Bord von Raketen oder der internationalen Raumstation geplant, die längere Agglomerationsversuche erlauben.
    Stellt sich heraus, dass die Agglomerate tatsächlich von ihrem Gewicht zerstört werden, müssen wir sie verstärken – zum Beispiel durch Nutzung von Nanodrähten. Es könnte aber auch sein, dass es gar nicht die Schwerkraft ist, sondern Details des Agglomerationsprozesses. Diese Fragen stehen deshalb im Zentrum des Projektes.

    IGLU: Inkjet-Druck von RFID-Antennen auf Papier mit Hybridtinten

    Im Projekt NanoSpekt haben wir sinterfreie Hybrid-Tinten entwickelt, mit denen wir elektrische Leiter ohne Sintern auf empfindliche Oberflächen aufbringen können – auch auf Papier und Karton. In diesem Projekt erforschen wir in Kooperation mit der Papiertechnischen Stiftung (PTS), wie man diese Materialien verwenden kann, um RFID-Antennen für die berührungslose Identifikation von Verpackungen direkt auf Karton zu drucken.
    Papier und Karton sind sehr wichtige, aber auch anspruchsvolle Substrate: Ihre Oberfläche ist porös, und beim Drucken dringt die Tinte ein, so dass die elektrische Leitung erschwert wird. Außerdem beginnt sich Papier zu wellen, wenn es zu stark erhitzt wird, und Kartons werden gefaltet, wodurch leitfähige Strukturen leicht beschädigt werden können. Deshalb untersuchen wir in dieser AiF-geförderten Kooperation, wie man die Verbindung zwischen Karton und Tinte stark genug gestalten kann – und wie man damit zusätzliche Funktionen in Schachteln einbauen kann, am besten direkt beim Hersteller.

    SteelParticles: Kolloidale Charakterisierung von Partikeln aus Stahl

    Die herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie die außerordentlich gute Schweißbarkeit niedriglegierter Stähle ist auf Karbonitrid-Nanopartikel zurückzuführen, die in den Stählen bei der Herstellung erzeugt werden.

    In Kooperation mit der Dillinger Hütte, einem saarländischen Stahlproduzenten, untersuchen wir die chemische Zusammensetzung, Morphologie und Größenverteilung der im Stahl vorliegenden Partikel.  Die Partikelcharakterisierung erfolgt mit Methoden, die wir für Kolloide entwickelt haben. Diese statistisch relevanten Methoden werden bisher in der Metallographie wenig eingesetzt.

    SteelParticles

    Publikationen:

    AggloSense: Mechanische Verformung mit leitfähigen Nanokompositen messen

    Normalerweise benutzt man Komposite aus Elastomeren und leitfähigen Kohlenstoffpartikeln, wenn das Material leitfähig sein und bleiben soll. So werden beispielsweise antistatische Schuhsohlen oder Dichtungen hergestellt. Im DFG-geförderten Projekt AggloSense dagegen wollen wir das Gegenteil erreichen: maximale Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei Verformung.
    Dazu untersuchen wir in Kooperation mit Professor Tanja Schilling von der Universität Freiburg, wovon die Leitfähigkeit solcher Komposite überhaupt abhängt. Kohlenstoffpartikel (sogenanntes „Carbon Black“) sind tatsächlich keine Kugeln, sondern sehr komplex geformte Agglomerate mit oft fraktaler Struktur. Im Material berühren sie sich auf schwer vorherzusagende Weise. Durch den Vergleich der Struktur gezielt hergestellter Materialien mit simulierten Anordnungen und Messungen der Leitfähigkeit mit und ohne Verformung wollen wir herausfinden, wie man die Änderung der Leitfähigkeit groß machen kann.

    Confelcon: Konforme elektrische Kontakte

    confelcon graphicDie Verknüpfung von biologischen Objekten mit elektronischen Geräten erfordert weiche elektrische Kontakte. Wir entwickeln und fabrizieren mikrostrukturierte adhäsive Kontaktelemente aus elektrisch leitfähigen Materialien. Eine genaue Charakterisierung dieser Elemente zeigt die Verbindung von adhäsiven und elektrischen Eigenschaften auf. Außerdem erforschen wir Anwendungen der Elemente als elektrisch schaltbare mechanische Kontakte.

    ActiN: Aktive Nanokomposite

    Eingebettete Nanopartikel verleihen heutigen Nanokompositen nützliche Eigenschaften wie Farbe, Festigkeit oder hohen Brechungsindex. Ihre Anordnung beeinflusst diese Eigenschaften, verändert sich aber für gewöhnlich nach der Herstellung nicht, weil die Partikel zu stark in die Matrix eingebunden sind. Wir erforschen Nanokomposite, in denen sich metallische Nanopartikel bewegen und die sich auf einen Stimulus reorganisieren können. Dadurch ändert sich beispielsweise die Farbe des Komposits. In diesem Projekt stellen wir Modell-Partikel her und untersuchen, wie sie so eingebunden werden können, dass sie eine gewisse Mobilität erhalten.

    ActiN

    IMPROVe-STEM: Neue Materialien für die Vermehrung von Stammzellen

    IMPROVe-STEM_3 Dieses interdisziplinäre Projekt zielt auf die skalierbare Gewinnung mesenchymaler Stammzellen mithilfe neuer Trägermaterialien für ihre Vermehrung ab. Im Zusammenarbeit mit Zellbiologen, Biochemikern, Chemikern und Materialwissenschaftlern modifizieren wir die Oberflächen von Mikrokugeln so, dass die Zellhaftung verbessert wird, das Zellwachstum gefördert wird und die Zellen sich leicht von den Mikrokugeln ablösen können. Der materialorientierte Teil des Projektes erfordert die Oberflächencharakterisierung von Partikeln mit Durchmessern von etwa 100 µm und ihre anschließende Modifizierung mit Methoden wie Polymeraufpfropfen, Plasmaaktivierung und Veränderungen von Oberflächenrauheit und Ladung. Das Projekt wird vom „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung“ INTERREG gefördert.

    IMPROVe-STEM_2IMPROVe-STEM_1

    HYBDI: Hybride Dielektrische Schichten

    Für gedruckte Elektronik sind neben leitfähigen Schichten auch dielektrische Schichten, z.B. für Kondensatorelemente, notwendig. Reine Polymerschichten weisen eine begrenzte Polarisationsfähigkeit im elektrischen Feld und somit eine relativ geringe dielektrische Konstante auf. Wir untersuchen hybride Schichten aus Gold-Nanopartikeln, die durch isolierende Liganden voneinander getrennt sind. Hier soll zum einen die Polarisationsfähigkeit des Hybridsmaterials und die dielektrische Konstante der Schicht durch die metallischen Partikel erhöht werden, zum andern ein Ladungstransport zwischen den Nanopartikeln und das Versagen der dielektrischen Schicht verhindert werden.

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ABGESCHLOSSENE PROJEKTE

    AggloTox: Agglomeration von Nanopartikel-Protein-Mischungen

    Mischungen aus Nanopartikeln und Proteinen neigen dazu, hybride Agglomerate zu bilden. Wir interessieren uns für die Agglomerationsmechanismen und die Strukturen der entstehenden Agglomerate, um ihre Rolle in der Medizin, Ökologie und den Biomaterialien besser zu verstehen.


    Formation Mechanism for Stable Hybrid Clusters of Proteins and Nanoparticles (ACS)

    ACS NANO, DOI: 10.1021/acsnano.5b01043

    DINAFFF: Untersuchung von Nanopartikeln mittels Feld-Fluss-Fraktionierung

    Mit der Feld-Fluss-Fraktionierung kann man Partikel nach Größe trennen, aber die Methode leidet oft unter Partikelverlusten durch Adsorption und Agglomeration. Dieses AiF-ZIMM-Projekt (finanziell unterstützt durch das BMWi) will solche Verluste minimieren und FFF zu einer Standard-Methode machen, um Nanopartikel in Produkten, der Umwelt und in Lebensmitteln erkennen zu können.

    HOP-X: Hybride Partikel-Polymer-Röntgenbildplatten

    Digitale Bildplatten für medizinisches Röntgen basieren auf Keramiken. Dieses Projekt entwickelt unterstützt vom BMBF Röntgenbildplatten, die auf einem neuen Material aus leitfähigen Polymeren und anorganischen Partikeln bestehen. Die Partikel absorbieren und wandeln Röntgenphotonen um, die leitfähigen Polymere transportieren die entstehende Ladung zu Elektroden. Der Programmbereich Strukturbildung beschäftigt sich im Projekt hauptsächlich mit der Analyse der Kompositstrukturen aus Partikeln und Polymeren, der Entstehung der Struktur bei der Herstellung und ihren Effekten auf die Leistungsfähigkeit der Bildplatten.

    MobiNano: Mobilität und Wechselwirkung agglomerierender Nanopartikel

    Wechselwirkungen treiben Partikel zur Agglomeration, Mobilität lässt sie diesem Antrieb folgen. Wir nutzen Fluidik und Synchrotron-Kleinwinkelstreuung (SAXS), um frühe Stadien der Agglomeration zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen uns dabei, die Bildung von Kompositen besser zu verstehen, geben Einblick in Kristallisationsprozesse und in Phänomene der Biomineralisation.

    NanoConfine: Anordnung von Partikeln in Emulsionstropfen

    Nanopartikel, die in Emulsionstropfen gefangen sind, reagieren auf ihre räumliche Beschränkung je nach eingesetztem Tensid. Einige von ihnen ordnen sich in reguläre „Suprapartikel“ an, vollständig definierte Strukturen, die an Edelgaskondensate oder kleine Metallcluster erinnern. Wir untersuchen in diesem DFG-finanzierten Projekt, wie Nanopartikel miteinander und Flüssig-Flüssig-Grenzflächen wechselwirken. Tanja Schilling an der Universität Luxemburg verwendet Simulationen, um die Strukturbildung vorherzusagen und zu verstehen, wir erforschen sie experimentell.