Sonderforschungsbereich 986:B2 Hybridmaterialien auf Basis nanoporöser Metalle - Hierarchie und Funktion

Das Arbeitsprogramm zielt auf die nanoskaligen und damit grenzflächenbestimmten Materialsysteme des Bereichs B, mit Fokus auf mechanischen Eigenschaften in der ersten Förderperiode und mit der geplanten Hinzunahme des Themas „Funktionseigenschaften“ in Periode 2. Hierarchische Strukturierung, ein Leitmotiv des SFB 986, bietet dabei einen Weg zu nanoskaligen Strukturen mit sehr geringer Massendichte und zu Funktionsmaterialien mit gleichzeitig extrem großem spezifischen Oberflächeninhalt und effizientem Signaltransport. In der bisherigen Forschung wurde ein neuartiges Verbundmaterial aus Metall und Polymer demonstriert. Dabei fließen die geringe Dichte und die hohe Festigkeit von Metallnanostrukturen in ein Materialdesign für Durchdringungsphasen-Nanokomposite ein, die gleichzeitig fest, elektrisch leitfähig, und duktil und somit umformbar sind. Wesentliche Aspekte des Verformungsverhaltens wurden erstmals charakterisiert bzw. verstanden. Zudem wurden erstmals monolithische makroskopische Körper aus nanoporösem Metall mit hierarchischem Aufbau aus selbstähnlichen, auf zwei wohldefinierten Längenskalen ineinander geschachtelten Netzwerkstrukturen hergestellt. In der beantragten zweiten Förderperiode soll der Fokus auf Hierarchie gefestigt werden, indem hierarchisch poröse Metalle nun hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften auf der Makroskala untersucht werde­n. Zudem sollen mit einem neuen Ansatz in Kombination von lithographischer Strukturierung auf der Mikroskala, Elektrodeposition, und Nanostrukturierung durch Korrosion erstmals nanoporöse Metalle mit nunmehr drei, sehr signifikant unterschiedlichen und präzise definierten Längenskalen hergestellt werden. Beim funktionellen Verhalten wollen wir die Expertise von TP B2 zu den bislang bestenfalls in Ansätzen verstandenen Phänomenen der Elektrokapillarkopplung an Metalloberflächen einbringen. Dazu werden die einfach bzw. hierarchisch porösen Metalle durch Auffüllen des Porenraums mit einer weichen und ionenleitfähigen zweiten Phase in neuartige Hybridmaterialien überführt, deren Grenzflächen durch elektrische Signale angesprochen werden können bzw. die auf äußere Einflüsse wie zum Beispiel mechanische Dehnung durch das Aussenden von Signalen reagieren. Aktive Dehnungssensorik sowie Aktorik sollen anhand von Experimenten mit Hybridmaterialien aus NPG mit wässrigen Elektrolyten oder mit leitfähigen Polymeren (sp­­eziell Polypyrrol) untersucht werden. Untersuchungen zur Elektrokapillarkopplung an planaren (Metall-Polypyrrol-Flüssigkeit) Elektrodenoberflächen liefern Einsichten in die zu Grunde liegenden mikroskopischen Vorgänge.

Stichworte

• elektrochemische Korrosion
• hybride Materialsysteme
• nanoporöse Medien

Publikationen

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• Anastasia Lackmann, Christoph Mahr, Marco Schowalter, Lisa Fitzek, Jörg Weissmüller, Andreas Rosenauer, Arne Wittstock: A Comparative Study of Alcohol Oxidation over Nanoporous Gold in Gas and Liquid Phase . Journal of Catalysis 99-106. , 2017 (353 ): S. 99-106, September 2017. , DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2017.07.008
• Ke Wang, Charlotte Stenner, Jörg Weissmüller: A nanoporous gold-polypyrrole hybrid nanomaterial for actuation. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017(248): S. 622-629, 2017. , DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.04.025
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• L. Lührs, C. Soyarslan, J. Markmann, S. Bargmann and J. Weissmüller: Elastic and plastic Poisson's ratios of nanoporous gold. . Scripta Materialia, DOI:10.1016/j.scriptamat.2015.08.002 (2015)., Scripta Materialia, DOI:10.1016/j.scriptamat.2015.08.002 (2015)., 08 2015.
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• K. Wang, C. Hartig, M. Blankenburg, M. Müller, R. Günther and J. Weissmüller: Local flow stresses in interpenetrating-phase composites based on nanoporous gold - In situ diffraction. . Scripta Materialia , 2017 (127): S. 151-155, 2017. , DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.09.026, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.09.026open Access.
• Theresa Juarez, Jürgen Biener, Jörg Weissmüller, Andrea M. Hodge : Nanoporous Metals with Structural Hierarchy: A Review. Advanced Engineering Materials(19): S. 1700389 (1-23), August 2017. , DOI: 10.1002/adem.201700389
• N. Mameka, K. Wang, J. Markmann, E.T. Lilleodden and J. Weissmüller: Nanoporous gold - Testing macro-scale samples to probe small-scale mechanical behavior. Mater. Res. Lett. DOI:10.1080/21663831.2015.1094679 (2015)., Mater. Res. Lett. DOI:10.1080/21663831.2015.1094679 (2015)., 2015.
• K. Hu, M. Ziehmer, , W. Ke and E.T. Lilleodden: Nanoporous gold: 3D structural analyses of representative volumes and their implications on scaling relations of mechanical behaviour.. Philos. Mag. DOI:10.1080/14786435.2016.1222087 (2016). Abstract, PDF (project B2, B4), Philos. Mag. DOI:10.1080/14786435.2016.1222087 (2016). Abstract, PDF (project B2, B4), 2016.
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• C. Stenner, L.-H. Shao, N. Mameka and J. Weissmüller: Piezoelectric gold - Strong charge-load response in a metal-based hybrid nanomaterial. . Adv. Funct. Mater. , DOI:10.1002/adfm.201600938 (2016). Abstract, PDF (OpenAccess), 2016.
• Lührs, L., Zandersons, B., Huber, N., Weismüüller, J. : Plastic Poisson's Ratio of Nanoporous Metals: A Macroscopic Signature of TensionCompression Asymmetry at the Nanoscale. Nano Letters, 2017;17(10): S. 6258-6266, September 2017. , DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02950
• B. Roschning, N. Huber: Scaling laws of nanoporous gold under uniaxial compression: Effects of structural disorder on the solid fraction, elastic Poisson's ratio, Young's modulus and yield strength. . J. Mech. Phys. Solids 92, 55-71 (2016). Abstract, PDF (Open Access) (projects B4, B2), J. Mech. Phys. Solids 92, 55-71 (2016). Abstract, PDF (Open Access) (projects B4, B2), 2016.
• B.A.M Elsner, S. Müller, S. Bargmann, J. Weissmüller: Surface Excess Elasticity of Gold: Ab initio Coefficients and their Impact on the Effective Elastic Response of Nanowires. Acta Materialia , 2017 (124): S. 468–477, February 2017. , DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.10.066
• B.A.M. Elsner, S. Müller, S. Bargmann, J. Weissmüller: Surface excess elasticity of gold: Ab initio coefficients and impact on the effective elastic response of nanowires. . Acta Materialia , 2017 (124): S. 468-477 , Oktober 2016. , DOI: 10.1016/j.actamat.2016.10.066, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.10.066open Access.