Kontrollierte Unordnung in nanostrukturierten Materialien: Kopplung von Experimenten und Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Engel, seit 11/2022
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452477982

Die Effizienz von Nanokristallen als heterogene Katalysatoren hängt entscheidend von der Struktur der Materialoberfläche ab, die mit der Umgebung wechselwirkt. Die Oberflächenstruktur wird direkt durch die chemischen Zusammensetzung bestimmt, kann aber auch durch Variation der inneren Mikrostruktur der Nanokristalle verändert werden. Diese Abhängigkeit von der Mikrostruktur kann nur dann für Anwendungen ausgenutzt werden, wenn die Zusammenhänge zwischen atomaren Paarwechselwirkungen, lokaler Deformation der kristallinen Struktur, und der resultierenden langreichweitigen Gitterverformung bekannt sind.Das Projekt zielt darauf ab, unseren Kenntnissstand der Gitterunordnung in nanostrukturierten Materialien zu verbessern. Diese Unordnung ist ein entscheidender Faktor für die Verbesserung der Leistung und der Haltbarkeit von Katalysatoren. Unordnung in Nanomaterialien wird durch Kopplung von Experimenten und Simulationen charakterisiert. Pulverröntgenaufnahmen sind eine mächtiges experimentelles Werkzeug, um Gitterverzerrungen aufzulösen. Atomistische Simulationen korrelieren Gitterverzerrungen mit chemisch-physikalischen Eigenschaften. Während diese Methoden für einkomponentige Nanokristalle etabliert sind, benötigt ihre Anwendung auf mehrkomponentige Nanokristalle eine Verbesserung der Linienprofilanalyse von Pulveraufnahmen sowie ein zuverlässigeres statistisches Stichprobenverfahren. So sind aktuelle Verfahren der Analyse von Pulveraufnahmen dadurch limitiert, dass weder Bragg-Profile noch Paarverteilungsfunktionen das Wechselspiel zwischen kurzreichweitiger und langreichweitiger Unordnung auflösen können. Gleichzeitig sind Simulationen aktuell nicht in der Lage, statistische Schwankungen in großen Partikelpopulationen aufzulösen.Wir führen eine neuen Analysemethode zur Charakterisierung der strukturellen Unordnung von Nanomaterialien ein, die direkt an atomistische Simulationen koppelt. Diese Kopplung wird mit Hilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz erreicht, zum Beispiel mit der Partikelschwarmoptimierung und Mustererkennungsalgorithmen. Unser Ansatz überwindet die mühsame Entwicklung von ad hoc Unordnungsmodellen für eine Zahl wichtiger Mikrostrukturarchitekturen. Wir konzentrieren unsere Untersuchungen auf multikomponentige metallische Nanokristalle über einen breiten Prozessparameterraum (Elementzusammensetzung, Größe, Mikrostruktur, etc.). Die Grenzflächen zwischen den Komponenten werden meistens durch epitaktisches Wachstum aus einem Precursor Nanokristall erhalten. Wie untersuchen, wie die Entwicklung von Unordnung an diesen Grenzflächen die Wachstumskinetik, Ordnungs-Unordnungsübergänge, chemische Stabilität, und Lebensdauer als heterogene Katalysatoren beeinflusst. Unsere Ergebnisse zeigen neue Wege auf, die chemischen Aktivität und Selektivität von Nanokatalysatoren zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Alberto Leonardi, Ph.D., bis 11/2022