Mechanismen der Nanostrukturbildung mittels Entlegieren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Weißmüller
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510071612

Das Phänomen des Entlegierens besteht in dem fast vollständigen Herauslösen nur einer Komponente aus binären Mischkristallen oder intermetallischen Verbindungen, wobei aus einer homogenen Ausgangsphase Porosität auf der Skala von wenigen Nanometern erzeugt wird. Aufgrund der herausragenden Definition, Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit ihres nanoskaligen Gefüges haben sich so erzeugte nanoporöse Metalle, und darunter prototypisch nanoporöses Gold, zu Modellsystemen für das Verständnis von Größen- und Grenzflächeneffekten auf das mechanische sowie funktionelle Verhalten nanoskaliger Systeme entwickelt. Beim Stand der Forschung kann das Entlegieren mit atomistischer numerischer Simulation realitätsnah nachgebildet werden. Mit anderen Worten, die wichtigsten Elementarprozesse auf atomarer Skala sind identifiziert. Offen bleiben jedoch die Fragen, welche charakteristische Längenskala bildet sich aus, welcher Prozentsatz der Opferkomponente verbleibt in der Struktur, und wie hängen diese Parameter von den experimentellen Einflussparametern ab, insbesondere von der Zusammensetzung der Ausgangsphase und von der treibenden Kraft für das Auflösen? Die Beantwortung dieser Fragen würde die Grundlage legen für eine weitere Verfeinerung des Verfahrens und damit für die Herstellung homogener monolithischer Körper aus Nanomaterialien mit Strukturgrößen potenziell < 5nm. Diese könnten gezielt nicht nur als reine Komponenten erzeugt werden, sondern auch als Mischkristalle. Das würde das bereits heute hochinteressante Spektrum der mechanischen Eigenschaften und der Funktionseigenschaften nanoporöse Metalle noch erweitern. Das Vorhaben zielt darauf ab, hierfür eine empirische Datenbasis, ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, und ein Materialgesetz mit Vorhersagecharakter zu entwickeln. Dem Arbeitsprogramm im Vorhaben liegt eine erste Hypothese für die Zusammenhänge zugrunde, welche die Gefügeentwicklung bestimmen. Die Hypothese berücksichtigt das Herauslösen der unedlen Komponente, die Passivierung durch Anreicherung der edlen Komponente in der Grenzfläche, sowie die Umverteilung durch krümmungsgetriebene Diffusion. Mit eng aufeinander abgestimmten Experimenten und atomistischen Simulationen wird die Hypothese überprüft und anhand der Befunde weiterentwickelt werden. Das Experiment untersucht das elektrochemische Entlegieren von Ag-Au-Pt mit unterschiedlichen Ausgangszusammensetzungen, mit Fokus auf an edler Komponente verdünnten Ausgangslegierungen, und unter Dotierung mit Pt zur Unterdrückung der Vergröberung durch Oberflächendiffusion. Die Gefügeentwicklung während des Entlegierens wird ex situ wie auch in-situ mit Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Kinetische Monte Carlo Simulationen bilden unter vergleichbaren Bedingungen das Experiment nach. Darüber hinaus werden mit dieser Methode einfache (und dem Experiment nicht zugängliche) Modellszenarien berechnet und verglichen mit den Erwartungen aufgrund der Ausgangshypothese abgeglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen