Multiskalige numerische Modellierung der Kondensation und der mechanischen Eigenschaften von Aerogelen auf der Basis von Organosilika

• Antragstellerin: Professorin Dr. Barbara Milow
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524816202

Neue Herausforderungen für Wissenschaft und Technik ergeben sich aus der intensiven Suche nach neuen Materialien mit einzigartigen Eigenschaften. Ein in den letzten Jahren eingehend untersuchtes Beispiel sind Aerogele, die von der IUPAC zu einer Top Ten Emerging Technologies im Jahr 2022 erklärt wurden. Diese Materialien können aus verschiedenen Ausgangsstoffen gewonnen werden: Zellulose, Metalloxide, sogar Graphen, aber eine der am meisten erforschten und weit verbreitesten Arten von Aerogele sind auf der Basis von Organosilika, die in einem Sol-Gel-Prozess gewonnen werden. Aerogele zeichnen sich durch eine geringe Dichte (in der Regel in der Größenordnung von einigen kg/m3), eine hohe Porosität (bis zu 99,8 %), eine hohe spezifische Oberfläche (bis zu 1000 m2/g) und andere einzigartige physikalische und physikochemische Eigenschaften aus. Diese lassen sich durch die geeignete Auswahl der Präkursoren, die Zusammensetzung des Reaktionsgemischs und die Parameter des Herstellungsprozesses selbst (z. B. Prozesstemperatur, Wahl der geeigneten Trocknungsmethode) beeinflussen. Nachteilig sind vor allem die mechanischen Eigenschaften - Aerogele zeichnen sich häufig durch geringe Reißfestigkeit und hohe Sprödigkeit aus. Ziel des Projekts ist eine Methode zur Herstellung von Silica-Aerogele mit bestimmten mechanischen und morphologischen Eigenschaften, die durch kostengünstigere numerische Methoden vorhergesagt wurden statt vieler Versuchsreihen. Dafür muss die Bildung des Aerogels von den Vorläufermolekülen bis zum makroskopischen Material mit spezifischen Eigenschaften verfolgt werden. Dazu muss ein breite Größenverteilung von einzelnen Atomen und Molekülen bis hin zu makroskopischen Aerogelfragmenten berücksichtigt werden. Ein so großer Größenbereich kann nicht mit einem einzigen Algorithmus modelliert werden - es wird ein Mehrskalenmodell benötigt, das aus verschiedenen numerischen Verfahren besteht, von denen jedes für einzelne Größenskalen geeignet ist. Die Erstellung eines solchen Modells ist das Ziel dieses Projekts. Im Einzelnen es die Aerogelbildung auf drei Ebenen abdecken: chemische Moleküle, physikalische Partikel und das gesamte Netzwerk. In jeder Größenordnung und in jeder Phase des Aerogel-Produktionsprozesses werden die Modelle durch verschiedene Tests mit Hilfe von Spektroskopie (UV-Vis, DLS, FT-IR und Raman), Mikroskopie (elektronen- oder lichtoptisch), Rheometrie und Porosimetrie unterstützt, neben analyse der mechanischen Eigenschaften. Das Endergebnis des Projekts wird eine vollständige Beschreibung der Abhängigkeit der Parameter der Aerogelsynthese von der Kinetik der Aerogelbildung und seinen endgültigen strukturellen Eigenschaften sein. Das sp entwickelte Modell wird es ermöglichen, Aerogele mit kontrollierten und vorab festgelegten Eigenschaften zu erhalten und die Synthese zu optimieren. Alle Tests und die erzielten Ergebnisse werden die Bewertung der erhaltenen Materialien im Hinblick auf künftige Anwendungen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Jakub M. Gac