Verformung hierarchischer und anisotroper poröser Festkörper durch Fluidadsorption

Ziel des Projektes ist es ein grundlegendes Verständnis der adsorptionsinduzierten Verformung von monolithischen Materialien mit hierarchischer Porosität zu erarbeiten. Makroporöse Netzwerke bestehend aus einem mesoporösen Gerüst mit mikroporösen Porenwänden sollen synthetisiert werden, mit dem Ziel Größenverteilung, Volumenanteil und insbesondere auch die Anisotropie der Poren auf den verschiedenen hierarchischen Ebenen zu kontrollieren. Die zentrale Motivation des Antrags ist die Erarbeitung von Zusammenhängen zwischen den physikalisch- chemischen Parametern der adsorptionsinduzierten Verformung auf der Nanometer Skala und der hierarchischen und anisotropen Netzwerkstruktur, die unter anderem zu einer reversiblen Bewegung (Aktuation) auf der makroskopischen Ebene führt. Die Projektergebnisse sollen die wissenschaftliche Basis für zukünftige Anwendungen solcher Materialien in maßgeschneiderten schaltbaren Komponenten schaffen, zum Beispiel als Sensoren und Aktoren, in Wärmedämmsystemen, oder in akustisch-mechanischen Komponenten. Die grundlegenden Arbeitsschritte sowie die innovativen Aspekte des Projektes sind: i) Die Etablierung neuer Syntheseverfahren von monolithischen makro-meso-mikroporösen SiO2 Materialien mit gezielter Steuerung der Fluid-Wand Wechselwirkung sowie des Anisotropie-Grades auf unterschiedlichen Hierarchieebenen. Der Syntheseansatz beruht auf Sol-Gel Verfahren unter externen Kraftfeldern, z.B. Scherung oder einachsiger Kompression, wobei die Silica Materialien dann auch als Template zur weiteren Herstellung von Kohlenstoff- und Siliziummaterialien dienen sollen. ii) Die erstmalige explizite Berücksichtigung von Strukturen auf verschiedenen Längenskalen zum Verständnis der adsorptionsinduzierten Verformung hierarchischer poröser Systeme. Synchrotron basierte Strukturuntersuchungen auf allen Längenskalen sowie eine einzigartige Kombination von in-situ Adsorptionsuntersuchungen mit Röntgenstreuung und Dilatometrie werden eingesetzt, um die makroskopische Antwort des Systems auf die Fluid- induzierte Verformung auf der Nanoskala quantitativ zu erfassen. Einfache Modellflüssigkeiten wie n-Pentan und Stickstoff, aber auch Wasser als komplexes anwendungsrelevantes Adsorptiv werden eingesetzt. iii) Die Entwicklung und experimentelle Validierung hierarchischer mechanischer Modelle der adsorptionsinduzierten Verformung. Die Modelle basieren im Wesentlichen auf analytischen und/oder numerischen Ansätzen zur Beschreibung der Verformung einzelner Mesoporen, gekoppelt mit Finite-Elemente (FEM) poromechanischen Rechnungen zur Bestimmung der makroskopischen Verformungen. Das Projekt verbindet die einzigartigen und komplementären Expertisen von drei experimentell arbeitenden Gruppen in Österreich und Deutschland, unterstützt von einem theoretisch an diesem Thema arbeitenden Kooperationspartner aus den USA. Die Ergebnisse aus dem Projekt sollten daher sowohl für Theorie- bzw. Modellierungsgruppen, als auch für angewandte Forschungsgruppen im Bereich der Entwicklung von Sensoren und Aktoren, sowie von Energiespeichersystemen und von Katalysatoren von großem Interesse sein.

Hierarchisch organisierte, poröse Strukturen existieren in einer Vielzahl von biologischen Materialien, wo sie verschiedenste strukturelle und/oder funktionelle Aufgaben erfüllen. Eine besondere Eigenschaft mancher dieser Materialien ist die Fähigkeit, auf äußere Stimuli mit mechanischer Verformung zu reagieren. Solche autonome, auf der Materialstruktur basierende mechanische Reaktionen auf Umwelteinflüsse stellen ein vielversprechendes Konzept für die Herstellung künstlicher Sensoren oder Aktuatoren dar. Im vorliegenden Projekt wurden verschiedene hierarchisch strukturierte, poröse Materialien hergestellt und ihre jeweilige mechanische bzw. strukturelle Reaktion bei der Adsorption von Fluiden untersucht. Dazu wurden monolithische Probenkörper mit geordneter Porenstruktur synthetisiert, welche eine gleichzeitige Untersuchung der makroskopischen Längenänderung und der Verformung der Nanostruktur während der Fluidadsorption erlauben. Des Weiteren wurde die Porenstruktur der synthetisierten Materialien durch gezielte Modifikationen variiert und deren Einfluss auf die adsorptionsinduzierte Verformung wurde evaluiert. Das Projekt war in drei Arbeitspakete unterteilt: Im Paket 1 (Hüsing, Universität Salzburg) wurden hierarchisch strukturierte Silica- und Kohlenstoffproben mittels Sol-Gel Prozessen synthetisiert und umfassend charakterisiert. Zudem gelang die anisotrope Ausrichtung der Makrostruktur des porösen Netzwerks mittels extrusionsbasierter mechanischer Scherung während des Gelierungsprozesses. Paket 2 (Paris, Montanuniversität Leoben) beinhaltete die Untersuchung der adsorptionsinduzierten Deformation auf der Nanometer-Skala mittels Streumethoden, während Paket 3 (Reichenauer, Zentrum für Angewandte Energieforschung Bayern, Würzburg) die Untersuchung dieser Deformation auf der Makroskala mittels Dilatometrie umfasste. Für die Pakete 2 und 3 wurden in enger Kooperation der Leobener und Würzburger Arbeitsgruppen spezielle Messvorrichtungen konstruiert, um die neuartigen und aufwändigen Messverfahren durchführen zu können, wobei auch Neutronen- und Röntgenstreuung an internationalen Großforschungsanlagen in Garching bei München, und in Grenoble durchgeführt wurden. Im Rahmen einer Kooperation mit zwei amerikanischen Arbeitsgruppen wurden außerdem Modelle zur theoretischen Beschreibung der adsorptionsinduzierten Verformung entwickelt und zur Bestimmung absoluter Kenngrößen mechanischer Eigenschaften der Proben aus den experimentellen Daten herangezogen. Insgesamt konnte ein grundlegendes Verständnis der Korrelation zwischen Materialeigenschaften und adsorptionsinduzierter Verformung, sowie der Mechanismen dieser Verformung auf verschiedenen Größenskalen erarbeitet, und damit die Grundlage für weitere zielgerichtete Optimierung hierarchisch strukturierter und anisotroper poröser Materialien geschaffen werden. Die Arbeit wurde in 30 Vorträgen und Postern auf internationalen Konferenzen sehr breit disseminiert und es sind fünf Publikationen bereits erschienen, zwei sind in Begutachtung und vier weitere sind derzeit kurz vor der Fertigstellung.