Hyperuniformes poröses anodisches Aluminiumioxid: ein 2D-Metamaterial mit verbesserten mechanischen Eigenschaften als Plattform für Zweischichtkomposit-Aktuatoren.

• Antragsteller: Professor Dr. Patrick Huber; Professor Dr. Martin Steinhart; Professor Dr. Ralf B. Wehrspohn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519853330

Hyperuniform-ungeordnete (HuD) Strukturen sind statistisch isotrop und frei von Translationssymmetrie, zeichnen sich aber gleichzeitig durch Unterdrückung langreichweitiger Dichtefluktuationen aus. 2D HuD-Strukturen enthalten weder Korngrenzen noch kristallographische Richtungen, entlang derer Risse propagieren können. Hyperuniformitätsdesign ist somit ein möglicher Zugang zu verbesserten mechanischen 2D-Metamaterialen mit überlegener Bruchfestigkeit. Durch Anodisation von Aluminium hergestelltes poröses anodisches Aluminiumoxid (AAO) enthält Felder paralleler, zylindrischer, senkrecht zur Membranebene orientierter Poren mit Durchmessern zwischen einigen 10 und einigen 100 nm. Geeignete Anodisationsregimes führen zu Selbstassemblierung der wachsenden Poren in hexagonale Domänen. Optimierungen hatten in erster Linie die Verbesserung der Porenordnung zum Ziel. Hier werden die AAO-Poren als diskrete Elemente für das Design von 2D-Hyperuniformität in der Membranebene aufgefasst, um AAO mit 2D-hyperuniformem Porenarrangement (hAAO) mit optimiertem Risspropagationswiderstand und, folglich, optimierter Bruchfestigkeit zu generieren. Hierfür soll rationales Unordnungsdesign in den AAO-Porenarrays durch Abweichungen von den Parameterfenstern, in denen selbstgeordnetes Porenwachstum durch milde Anodisation erfolgt, erreicht werden. Wir konnten bereits fast-hyperuniformes AAO herstellen. Dies impliziert, dass AAO ein vielversprechendes Material für die Realisierung von effektiv hyperuniformen mechanischen 2D-Metamaterialien ist, die in nahezu perfekter Weise der von Torquato theoretisch ermittelten idealen 2D-hyperuniformen Modellstruktur entsprechen. Mit hAAO als Modelsystem planen wir die experimentelle Validierung von 2D-Hyperuniformität als generischem Designkonzept zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften freistehender dünner harter Schichten. Durch Kombination der Konzepte “mechanisches Metamaterial” und “Formwechselmaterial” planen wir die Etablierung von hAAO als Materialplattform für das Design von Zweischichtkompositen, die ihre Form selbst unter Extrembedingungen wie hohen Temperaturen responsiv reversibel oder permanent ändern können. Wir konnten bereits demonstrieren, dass AAO-Polystyrol-Zweischichtkomposite ausgeprägte reversible Formänderungen ausgelöst durch Temperatursprünge zeigen. Die teilweise Infiltration der hAAO-Poren mit dem Polymer verbessert die Adhäsion und die mechanische Kopplung des hAAO und der Polymerschicht. Weiterhin erhöht das hAAO die Härte der Zweischichtkomposite, so dass Energiedissipation durch unerwünschte lokale Deformationen minimiert wird. Explorativ sollen Zweischichtkomposite aus hAAO und einem Blockcopolymer (BCP) durch Volumenexpansion während der quellungsinduzierten Porenbildung in der BCP-Schicht gekrümmt und dann als gebogene, komplett poröse Filtermembranen mit verbesserter mechanischer Stabilität und verbesserten Antifouling-Eigenschaften für Tangentialfluss-Ultrafiltration getestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen