SFB 986 Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme: 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.

Projektleitung:Jörg Weißmüller
Stellvertretende Projektleitung:Benedikt Roschning
Mitarbeiter:Charlotte Stenner, Benedikt Roschning, Birthe Zandersons, Shan Shi
Laufzeit:01.07.2016 bis 30.06.2020
Finanzierung:DFG_ SFB 986/2, B02; 07/2016 - 06/2020

Ähnlich wie bei piezoelektrischen Festkörpern erzeugen Hybrid-materialien aus nanoporösem Gold und Wasser bei Belastung durch eine externe Kraft stabile elektrische Signale [C. Stenner et al.].


Veröffentlichungen:


J. Weissmüller and K. Sieradzki
Dealloyed nanoporous materials with interface-controlled behavior
MRS Bulletin 43, 14-19 (2018).
https://doi.org/10.1557/mrs.2017.299
(Project B2)

H.-J. Jin, J. Weissmüller and D. Farkas
Mechanical response of nanoporous metals: A story of size, surface stress, and severed struts
MRS Bulletin 43, 35-42 (2018).
https://doi.org/10.1557/mrs.2017.302 (Project B2)

C. Soyarslan, S. Bargmann, M. Pradas and J. Weissmüller
3D stochastic bicontinuous microstructures: Generation, topology and elasticity
Acta Materialia 149, 326-340 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.01.005 open access (Project B2, B6)

S. Shi, J. Markmann and J. Weissmüller
Synthesis of uniform bulk nanoporous palladium with tunable structure
Electrochimica Acta 285, 60-69 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.07.081 open access (Project B2, B8)

G.Y. Gor, P. Huber and J. Weissmüller
Elastocapillarity in nanopores: Sorption strain from the actions of surface tension and surface stress
Phys. Rev. Materials 2, 086002 (2018).
https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.086002 (Project B2, B7)

N. Mameka, L. Lührs, S. Heissler, H. Gliemann and C. Wöll
Tailoring the strength of nanoporous gold by self-assembled monolayers of alkanethiols
ACS Appl. Nano Mater. (2018).
https://doi.org/10.1021/acsanm.8b01368  (Projects B2, B8)

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
Scr. Mater. 127, 151-155 (2017). Abstract, PDF (OpenAccess) (Project B2, Z2)

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)

M. Ziehmer, K. Hu, W. Ke and E.T. Lilleodden
A principle curvatures analysis of the isothermal evolution of nanoporous gold: Quantifying the characteristic length scales
Acta Materialia 120, 24-31 (2016). Abstract, PDF (OpenAcess) (Project B4, B2)

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) (Project B2)

B. Roschning and 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)

B.-N. D. Ngô, A. Stukowski, N. Mameka, J. Markmann, K. Albe and J. Weissmüller
Anomalous compliance and early yielding of nanoporous gold
Acta Materialia, DOI:10.1016/j.actamat.2015.04.021 (2015).
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645415002633 (Project B2)

K. Wang, A. Kobler, C. Kübel, H. Jelitto, G. Schneider and J. Weissmüller
Nanoporous-gold-based composites: towards tensile ductility
NPG Asia Mater. 7, e187, DOI:10.1038/am.2015.58 (2015).
http://www.nature.com/am/journal/v7/n6/full/am201558a.html (Projects B2, A6)

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).
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646215003486 (Projects B2, B6)

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).
http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/21663831.2015.1094679 (Projects B2, B4) (open access)

B.A.M. Elsner, S. Müller, S. Bargmann and J. Weissmüller
Surface excess elasticity of gold: Ab initio coefficients and impact on the effective elastic response of nanowires
Acta Materialia 124, 468-477 (2017). www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645416308436 (Projects B2, B3, B6)