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 von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461147152

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entwicklung neuer Technologien richtet den Blick der modernen Materialwissenschaften zunehmend auf den Bereich der weichen Materie. Oft lassen spezifische Eigenschaftskombinationen ein Material für bestimmte Anwendungen interessant werden. Brauchbare Batterieelektrolyte sollten beispielweise eine hohe Ionenleitfähigkeit mit einer hinreichenden mechanischen Stabilität verknüpfen. Die entsprechenden Charakteristika und deren komplexes Wechselspiel haben wir im vorliegenden Projekt hauptsächlich mit der breitbandigen dielektrischen und Leitfähigkeits-Spektroskopie sowie der Scherrheologie für eine Reihe niedermolekularer und polymerer Glasbildner erforscht. Insbesondere wurden Methoden eingesetzt und weiterentwickelt, welche die untersuchten Materialien großen elektrischen, mechanischen und thermischen Störungen unterwerfen wie sie oft auch bei praktischen Beanspruchungen auftreten. Im nunmehr abgeschlossenen Projekt ging es allerdings weniger um technisch relevante Optimierungen als vielmehr um die Aufklärung der Mechanismen, die in den untersuchten Materialien aktiv sind. Insbesondere gelang es, mit der nichtlinearen Rheologie in den zuvor schwer zugänglichen Bereich der Strukturrelaxation vorzustoßen und die intensiv diskutierten "humps" nachzuweisen, hier in Form von Maxima der kubischen Schubmoduln. Ebenso lieferten die mittels großer Feld- und Temperaturänderungen hervorgerufenen Transienten wesentliche Einsichten in die für die Verglasung der untersuchten Stoffe relevanten Freiheitsgrade. Um physikalische Alterungserscheinungen hochviskoser Materialien präzise zu erfassen, konnten wir eine rheologiebasierte Fourier-Temperaturoszillations-Methode konzipieren und erfolgreich im Labor umsetzen. Die detaillierte theoretische Analyse dieses Experimentes führte zu einer Weiterentwicklung des standardmäßig für die quantitative Auswertung differenzkalorimetrischer und dilatometrischer Messungen eingesetzten Modells. Durch die Verallgemeinerung des Tool- Narayanaswamy-Ansatzes im Rahmen einer Wiener-Volterra-Reihe steht damit ein Werkzeug für die systematische Beschreibung von Materialeigenschaften im noch stärker nichtlinearen Bereich zur Verfügung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• First- and third-order shear nonlinearities across the structural relaxation peak of the deeply supercooled pharmaceutical liquid indomethacin. The Journal of Chemical Physics, 155(13).
  Moch, Kevin; Bierwirth, S. Peter; Gainaru, Catalin & Böhmer, Roland
  
• Molecular Cross-correlations Govern Structural Rearrangements in a Nonassociating Polar Glass Former. Physical Review Letters, 128(22).
  Moch, K.; Münzner, P.; Böhmer, R. & Gainaru, C.
  
• Nongeneric structural-relaxation shape of supercooled liquids: Insights from linear and nonlinear experiments on propylene glycol. The Journal of Chemical Physics, 157(23).
  Moch, Kevin; Münzner, Philipp; Gainaru, Catalin & Böhmer, Roland
  
• Predicting Dielectric and Shear-Rheology Properties of Glass-Forming Pharmaceutical Liquids from Each Other: Applications and Limitations. Molecular Pharmaceutics, 19(5), 1586-1597.
  Röwekamp, Lara; Moch, Kevin; Gainaru, Catalin & Böhmer, Roland
  
• Relaxation and diffusion of an ionic plasticizer in amorphous poly(vinylpyrrolidone). Physical Chemistry Chemical Physics, 26(17), 13219–13229.
  Röwekamp, Lara; Moch, Kevin; Seren, Merve; Münzner, Philipp; Böhmer, Roland & Gainaru, Catalin
  
• Temperature oscillations provide access to high-order physical aging harmonics of a glass forming melt. The Journal of Chemical Physics, 159(22).
  Moch, Kevin; Böhmer, Roland & Gainaru, Catalin
  
• Dielectric and Shear-Mechanical “Humps” in the Nonlinear Response of Polar Glassformers. The Journal of Physical Chemistry B, 128(36), 8846-8854.
  Moch, Kevin; Gainaru, Catalin & Böhmer, Roland
  
• Nonlinear susceptibilities and higher-order responses related to physical aging: Wiener–Volterra approach and extended Tool–Narayanaswamy–Moynihan models. The Journal of Chemical Physics, 161(1).
  Moch, Kevin; Gainaru, Catalin & Böhmer, Roland