Nanomaterialien

© Foto Fraunhofer SCAI

Nanopartikel besitzen außergewöhnliche Materialeigenschaften und bieten somit ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten in vielen Anwendungsfeldern wie zum Beispiel der Leichtbauweise (Verbundwerkstoffe, Beton), Energie- und Umwelttechnik (Batterien, Brennstoffzellen, Wasserstoffspeicher), Elektronik (Kühlung, Transistoren, Feldemitter-Bildschirme), Medizin (Sensorik, Drug-Delivery) und auch der Informations- und Kommunikationstechnik.

Zum Beispiel weisen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) hervorragende mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften auf und werden daher bereits in der industriellen Anwendung zur mechanischen Verstärkung und Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit von Polymerkomposit Werkstoffen eingesetzt. Neben auf Kohlenstoff oder Bornitrid basierenden Nanopartikeln (Fullerene, CNTs, Graphen, BN-NTs) können auch keramische und metallische Nanopartikel mit außerordentlichen Eigenschaften synthetisiert werden.

Im Rahmen des Designs und der Herstellung von Nanomaterialien ergeben sich viele Fragestellungen zu deren Lösung die Abteilung Virtual Material Design des Fraunhofer SCAI effiziente Werkzeuge zur Verfügung stellt.

Die Forschungs- and Entwicklungsarbeit dieses Projektes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Numerische Simulation der Universität Bonn. In diesem Rahmen wurden Module der Molekulardynamik Software Tremolo-X auch erfolgreich im Forschungsprojekt Multiscale QM/MM simulations of the growth process and the material properties of inorganic nanotubes and nanotube composites des DFG Schwerpunktprogramm 1165 "Nanodrähte und Nanoröhren: Von kontrollierter Synthese zur Funktion" eingesetzt.

Verstärkte Nanokomposite

© Foto Fraunhofer SCAI

Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften sind Nanopartikel insbesondere als Füllstoffe zum Design von immer leistungsfähigeren und leichteren Verbundwerkstoffen geeignet. Dabei kommen üblicherweise Kohlenstoff-Nanopartikel zur mechanischen Verstärkung in Polymerkompositen zum Einsatz. Insbesondere werden CNTs auch zur Bruchzähigkeitssteigerung in Keramik-Nanokomposite und als Füllstoff in Metall-Nanokomposite zur Verbesserung der Zugfestigkeit und Duktilität verwendet. Weitere verschiedenartige Nanopartikel werden ebenfalls benutzt um Nanomaterialien mit speziellen unterschiedlichen effektiven Eigenschaften zu erhalten.  

Gegenstand der Forschung sind einerseits das Design und andererseits die Herstellung der Nanokomposite. Herausfordernde Fragestellungen sind üblicherweise die homogene Verteilung des Füllstoffes in der Matrix und die optimale Bindung des Füllstoffes an die Grundsubstanz auf der Nanoskala. Außerdem kann es auch die Schwierigkeit geben, dass die Nanopartikel den üblichen Prozess zur Synthese des Matrixmaterials des Verbundstoffes nicht überstehen. Insbesondere in solchen Fällen ist es notwendig alternative Herstellungsprozesse zu entwickeln.

Referenzen

  1. C. Diedrich, D. Dijkstra, J. Hamaekers, B. Henninger, and M. Randrianarivony. A finite element study on the effect of curvature on the reinforcement of matrices by randomly distributed and curved nanotubes. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2014. accepted.
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  2. M. Griebel, J. Hamaekers, and F. Heber. A molecular dynamics study on the impact of defects and functionalization on the Young modulus of boron-nitride nanotubes. Computational Materials Science, 45(4):1097-1103, 2009.
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  3. M. Griebel and J. Hamaekers. Molecular dynamics simulations of boron-nitride nanotubes embedded in amorphous Si-B-N. Computational Materials Science, 39(3):502-517, 2007.
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  4. M. Griebel and J. Hamaekers. Molecular dynamics simulations of the mechanical properties of polyethylene-carbon nanotube composites. In M. Rieth and W. Schommers, editors, Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology, volume 9, chapter 8, pages 409-454. American Scientific Publishers, 2006.
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  5. M. Griebel and J. Hamaekers. Molecular dynamics simulations of the elastic moduli of polymer-carbon nanotube composites. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193(17-20):1773-1788, 2004.
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  6. S. J. V. Frankland, A. Caglar, D. W. Brenner, and M. Griebel. Molecular simulation of the influence of chemical cross-links on the shear strength of carbon nanotube - polymer interfaces. Journal of Physical Chemistry B, 106(12):3046-3048, 2002.
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Weitere Projekte

Die Forschungs- and Entwicklungsarbeit dieses Projektes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Numerische Simulation der Universität Bonn. In diesem Rahmen wurden Module der Molekulardynamik Software Tremolo-X auch erfolgreich im Forschungsprojekt Multiscale QM/MM simulations of the growth process and the material properties of inorganic nanotubes and nanotube composites des DFG Schwerpunktprogramm 1165 "Nanodrähte und Nanoröhren: Von kontrollierter Synthese zur Funktion" eingesetzt.