Das besondere Innovationspotential des SFB 986 liegt darin, quasi am Reißbrett makroskopische, multiskalig strukturierte Werkstoffe und Bauteile zu entwickeln, die maßgeschneiderte mechanische, elektrische oder photonische Eigenschaften besitzen. Die hier hergestellten Werkstoffe sind dabei überwiegend aus einzelnen Bausteinen unterschiedlicher diskreter Längenskalen zusammengesetzt. Dies eröffnet die Möglichkeit, ganz gezielt Bausteine auszutauschen und damit die Eigenschaften der Materialsysteme diskontinuierlich zu verändern. Wenn es gelingt, dieses Konzept umzusetzen, erwarten wir völlig neuartige Materialfunktionen.

Die im Rahmen dieses SFB in den Projektbereichen A, B und C untersuchten Materialien unterscheiden sich von den „klassischen“ Werkstoffen durch ihre individuelle hierarchische Mikrostruktur. Beim klassischen Gefügedesign wird z.B. durch Wärmebehandlung und gleichzeitige mechanische Verformung die Morphologie des Gefüges eingestellt. Das Material wird schrittweise durch kleine Veränderungen der Struktur oder der chemischen Zusammensetzung auch unter Ausnutzung von Selbstorganisationsprozessen (Ausscheidungslegierungen, Glaskeramiken, eutektische Gefüge) kontinuierlich und stetig optimiert. Obschon diese Strategie über Jahrhunderte hinweg zu außerordentlich leistungsfähigen Werkstoffen geführt hat, ist die Palette an erzielbaren Geometrien eingeschränkt. Hinter der Forschung im SFB 986 steht der Gedanke, dass komplexe – und insbesondere multiskalige und/oder hierarchische – Gefüge durch den gezielten Einsatz alternativer Synthese- und Assemblierungsprozesse aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik maßgeschneidert hergestellt werden können.

Im oben genannten Sinn sollen in dem SFB 986 ausgehend von funktionalisierten elementaren Funktionseinheiten makroskopische hierarchische Materialsysteme aus Polymer, Keramik, Metall und Kohlenstoff (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Aerographite) erzeugt werden, wobei die Längenskalen vom Atom bis zur Makroskala reichen (siehe Abbildung). Diese elementaren Funktionseinheiten sind durch z.B. Kern-Schale-Strukturen oder in Metallen durch mittels Legierungskorrosion erzeugte, mit Polymeren gefüllte Hohlräume gegeben.

Die Materialsysteme der drei Projektbereiche unterscheiden sich einerseits in ihrer multiskaligen Struktur und andererseits in ihren funktionalen Eigenschaften. Während im Projektbereich A quasi-selbstähnliche Strukturen mit multifunktionalen Eigenschaften im Vordergrund stehen, zielt der Projektbereich B auf ‚integrierte’ nanostrukturierte mehrphasige Materialsysteme, die aufgrund des Gefügedesigns Festigkeit und funktionelle – insbesondere elektrische – Eigenschaften in sich vereinen. Im Projektbereich C liegt der Schwerpunkt auf hochgeordneten hierarchischen periodischen und aperiodischen Strukturen und deren photonischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

Die alle drei Projektbereiche verbindende Fragestellung ist, auf welche Weise die makroskopischen mechanischen, elektrischen oder photonischen Funktionen der Materialsysteme durch den Aufbau der hierarchischen Struktur kontrolliert werden können. Die Herstellung ist durchgängig eng mit der Modellierung – sowohl im beschreibenden als auch vorhersagenden Sinne – und der Charakterisierung der Materialien verzahnt, wobei die Eigenschaften der multiskaligen Strukturen auf sämtlichen hierarchischen Ebenen bestimmt werden. Der Vergleich dieser Ergebnisse ermöglicht die Verifikation und Verbesserung der theoretischen Modelle und schafft damit die Voraussetzung, an Hand von Simulationsrechnungen die Materialsysteme weiter zu entwickeln.