Elastizität offener Systeme: Experimentelle Überprüfung der Larché-Cahn Theorie und Anwendung in Funktionsmaterialien mit schaltbarer Steifigkeit
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele Materialphänomene werden entscheidend durch die Wechselwirkung zwischen Chemie und Mechanik bestimmt. Die allgemeine Formulierung einer Theorie dieser Wechselwirkung geht auf bahnbrechende Arbeiten zur Elastizität offener Systeme von Francis Larché und John W. Cahn in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts zurück. Eine zentrale Schlussfolgerung der Theorie ist, dass das gekoppelte chemo-elastische Gleichgewicht im Grenzfall kleiner Dehnungen auf ein klassisches Problem der Kontinuumsmechanik zurückgeführt werden kann, wenn im Hooke'schen Gesetz die klassischen elastischen Konstanten für feste Zusammensetzungen durch neue elastische Parameter offener Systeme ersetzt werden. Diese Parameter enthalten die Information über die Wechselwirkung zwischen chemischer Zusammensetzung und mechanischer Spannung im thermodynamischen Gleichgewicht bei konstantem chemischen Potential. Die Larché-Cahn-Theorie ist explizit oder implizit Bestandteil vieler moderner Modellierungsansätze in der Materialwissenschaft; in der Literatur findet sich jedoch keine direkte experimentelle Überprüfung, und insbesondere die Vorhersagen der Theorie für die elastischen Parameter offener Systeme sind bisher nicht experimentell verifiziert worden. Diese Parameter können jedoch von großem Interesse sein, da sie der Theorie zufolge stark von denen bei konstanter Konzentration abweichen können, da sie hochgradig nichtlinear in Dehnung und Konzentration sind, und da ihre numerischen Werte zudem an kritischen Punkten der Mischungslücke im Legierungsphasendiagramm divergieren können. Vor diesem Hintergrund zielte das Forschungsprogramm in diesem Projekt darauf ab, die experimentelle Untermauerung der Theorie zu festigen und diese für das Design optimierter Funktionswerkstoffe anzuwenden. Als experimentelle Basis sollte nanoporöses Pd-Pt dienen, da hier eine vollständige Mischbarkeit bei Raumtemperatur für das hochmobile Zwischengitteratom H sowie eine schnelle Gleichgewichtseinstellung für die Lösung von Wasserstoff im Austausch mit H2-Gas bei kontrolliertem Partialdruck oder mit Protonen bei kontrolliertem effektiven chemischen Potential erwartet wird. Ergänzend soll gezeigt werden, dass in nanoporösem Pd - einem Material mit Mischungslücke bei Raumtemperatur - der Phasenübergang zwischen dem verdünnten und dem konzentrierten Metallhydrid durch mechanische Belastung angeregt werden kann. Die Herstellung des nanoporösen Pd-Pt erwies sich als unerwartet anspruchsvoll, reproduzierbare und erfolgreiche Protokolle sind jedoch etabliert und das Material charakterisiert. Hinsichtlich der Eigenschaften als Funktionsmaterial konnte durch Einbau des mobilen Fremdatoms H eine Schaltbarkeit des Elastizitätsmoduls um bis zu einem Faktor drei realisiert werden. Der Zusammenhang zwischen Elastizität und Wasserstoffgehalt folgt dabei im gesamten Konzentrationsbereich mit guter Übereinstimmung den Vorhersagen der Theorie. Eine mechanische Anregung des Phasenübergangs konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Eine Theorie des elastischen Verhaltens für das offene System im gesamten Konzentrationsbereich wurde veröffentlicht. In einer weiteren Publikation konnte gezeigt werden, dass Metallhydride oder Batterieelektroden als Energiespeichermaterialien - ein weiteres Beispiel für Funktionsmaterialien mit mobilen Fremdatomen - in zentralen Eigenschaften direkt und entscheidend von der Elastizität offener Systeme beeinflusst werden. Hier bietet die Theorie der Elastizität offener Systeme insbesondere einen qualitativ neuen Zugang zum Verständnis und zur Vorhersage kohärenter Phasenübergänge, die für das Verhalten des Speichermaterials bei Lade- und Entladezyklen entscheidend sind.
