Dielektrische Spektroskopie und Rheologie polymerer und niedermolekularer Elektrolyte im Bereich der linearen und nichtlinearen Antwort

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Böhmer, seit 8/2021
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461147152

Für eine immer größere Zahl von Anwendungen im Bereich der mobilen Elektronik werden beispielsweise für die Energiespeicherung Materialien benötigt, die nicht nur elektrisch hochleitfähig sind, sondern auch über eine mechanische Festigkeit verfügen, welche sich für die industrielle Verarbeitung und einen sicheren Betrieb eignen. Miniaturisierung und mechanische Flexibilität, beides technologisch hoch erwünscht, stellen zusätzliche Anforderungen an diese Elektrolyte. Um diese optimieren zu können, ist es von besonderer Bedeutung, diejenigen physikalischen Parameter zu verstehen, welche das elektrische und mechanische Verhalten, d.h. den Ladungs- und Massetransport unter großen Beanspruchungen kontrollieren. Als Modellsysteme für diese Fragestellungen sind Polymerelektrolyte sowie insbesondere mit passenden Gelatoren versteifte ionische Flüssigkeiten, sogenannte Ionogele, besonders geeignet. Denn deren elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit können präparativ durch geeignete Ladungsträgerkonzentrationen und Kettenmorphologien (in Polymerelektrolyten) bzw. Gelatoren (in Ionogelen) feinjustiert werden. Für solche Materialien, bei denen der lokale Ladungstransport sehr viel schneller vonstatten geht als die Umstrukturierungsprozesse in der einlagernden Matrix, muss eine Kombination von nichtlinearer elektrischer und rheologischer Spektroskopie angewandt werden, um die jenseits der linearen Antwort auftretenden Bewegungsprozesse komplementär beleuchten zu können. Basierend auf diesem Ansatz ist es ein wichtiges Ziel dieses Projektes einerseits zu klären, wie sich das Wechselspiel von elektrischen und mechanischen Freiheitsgraden bei großen äußeren Feldern ändert und andererseits wie sich diese Freiheitsgrade wechselseitig beeinflussen. Letzteres kann nicht zuletzt rheodielektrisch durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit in Elektrolyten erschlossen werden, die starken mechanischen Oszillationen unterworfen sind. Um mögliche, durch große Verscherungen hervorgerufene strukturelle Änderungen nachzuweisen, sollen begleitende Röntgenstreuuntersuchungen im Rahmen einer bestehenden Kollaboration ausgeführt werden. Eine direkte Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Messmethoden setzt jedoch die experimentelle und theoretische Bestimmung von analogen Größen voraus, wenn beispielsweise die Scherfluidität mit der elektrischen Leitfähigkeit oder der Schubmodul mit dem elektrischen Modulus im nichtlinearen Antwortbereich zu vergleichen sind. Ein weiteres wichtiges Ziel dieses Projektes ist neben der Ausführung entsprechender Experimente daher ebenso, die dafür vorhandenen Modellansätze und Materialgleichungen fortzuentwickeln sowie anhand der Messergebnisse weiter zu verfeinern. Auf diese Weise erwarten wir, ein vertieftes theoretisches Verständnis der nichtlinearen Eigenschaften der untersuchten "soft matter" Elektrolyte zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Catalin Gainaru, bis 8/2021