Optimierung von Nanomaterialien mittels Hochdrucktemperung

Eines der Fundamente unserer modernen Welt sind hoch spezialisierte Materialien. Die Bedeutung der Werkstoffe, aus denen wir die Objekte erschaffen um unserer Leben zu verbessern, sieht man daran, daß wir sogar Zeitalter nach ihnen benennen: die Steinzeit, Bronzezeit oder Eisenzeit. Dabei sind die Möglichkeiten das Material gezielt für den Anwendungsfall anzupassen stets von besonderer Wichtigkeit. Dies trifft auch heute noch zu: nach der Herstellung des Basismaterials (Legieren von Metallen, chemischer Synthese, ) wird das Material angepasst (Schmieden, Giessen, ) und dann die so entstandene Struktur noch angepasst (Glühen, Abschrecken, ). Der letzte Schritt ist, besonders bei Metallen, sehr häufig eine Wärmebehandlung. Dabei werden die Temperatur, die Haltezeit dieser und die Heiz/Kühlrate geschickt angepasst um die Eigenschaften des Werkstücks (z.B.: Festigkeit oder Verformbarkeit) gezielt einzustellen. Eine der jüngeren Errungenschaften der Materialforschung sind nanostrukturierte Materialien. Wie der Name schon sagt sind dies Stoffe bei denen die Strukturgrösse im Nanometerbereich (etliche hundert Atomabstände) liegt. Diese Materialien haben außergewöhnliche Eigenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten. Eine Methode mit der erfolgreich solche Nanomaterialien hergestellt werden können ist extreme plastische Verformung. Man kann sich das wie schmieden mit Thors Hammer vorstellen. Die Proben werden dabei unglaublichen Verformungen ausgesetzt während ein hydrostatischer Druck ausgeübt wird. Mit dieser Methode wurden bereits nützliche Materialien erschaffen, z.B.: hocheffiziente Thermoelektrika: Thermoelektrika wandeln Wärme direkt in elektrischen Strom um. Dadurch kann die bei Maschinen und Prozessen üblicherweise entstehende Abwärme, zumindest zum Teil, als elektrischer Energie zurückgewonnen werden. Eine solche Verbesserung der Effizienz in allen Aspekten der modernen Welt hat natürlich einen positiven Einfluss auf unsere Umwelt. Dank der Hochverformung konnte der Wirkungsgrad einiger thermoelektrischer Stoffe so erhöht werden, dass er für die Anwendung interessant ist. Dabei ist noch eine weitere Verbesserung möglich: Erstens kann der Wirkungsgrad noch durch Optimierung der Nanostrukturen erhöht werden, zweitens ist eine höhere thermische Stabilität machbar. Letzteres hätte den Vorteil, dass man das Material in einem größeren Temperaturbereich nutzen kann was ebenfalls die Effizienz erhöht. Beide Verbesserungen können durch passende Wärmebehandlungen erreicht werden. Dieses Projekt untersucht eine neue Variante der Auslagerung von Werkstoffen. Dabei wird die Wärmebehandlung unter Druck durchgeführt. Der weitere Parameter ermöglicht mehr Kontrolle über die Prozesses die im Material ablaufen und somit der finalen Eigenschaften. Bereits durchgeführte Voruntersuchungen belegen, dass mit dieser Methode die Nanostrukturen und damit die besonderen Eigenschaften erhalten bleiben können. Bevor man aber damit die Eigenschaften vieler komplexer Stoffe optimieren kann ist zuerst die Erforschung der zugrundeliegenden Prozesse nötig. Nur durch deren Verständnis in einfachen Fällen kann man gezielt die Eigenschaften von komplexen Materialien optimieren. Unser momentanes Wissen reicht auf jeden Fall um festzustellen, dass Wärmebehandlung unter hohem Druck das Potential hat um Werkstoffe zu erzeugen, die Helfen können, um aktuelle Probleme der Menschheit zu lösen.