Multiskalen Verhalten von ungeordneten Ferroika und Gläsern

"Funktionelle Materialien" sind von grundlegender Bedeutung für neue Technologien des 21. Jahrhunderts. Dabei handelt es sich um organische oder anorganische Materialien, die sehr sensitiv und spezifisch auf Änderungen von Temperatur, elektrischem oder magnetischem Feld, Druck, etc. reagieren. Dazu gehören z.B. ferroische Materialien. Phasenübergänge führen sehr oft zu einer Verstärkung bzw. Erweiterung der Funktionalität. "Strukturelle Materialien" haben sehr oft außergewöhnliche mechanische Eigenschaften wie z.B. metallische Gläser oder nanostrukturierte Metall Legierungen zeigen. Da die meisten Phänomene in solchen Materialien kooperativer Natur sind, hängen die Materialeigenschaften sehr stark von der Systemgröße ab und werden sehr stark von Oberflächen bzw. Grenzflächen beeinflusst. Um dieses "Multiskalen-Verhalten" zu verstehen, muss man untersuchen, wie Strukturen verschiedener Längenskalen wechselwirken und sich gegeseitig auf verschiedenen Zeitskalen beeinflussen. Im vorliegenden Projekt planen wir ein enges Zusammenspiel von Experiment, Computersimulation und Theorie, um fundamentale Fragestellungen bezüglich der Natur von dynamischen Heterogenitäten und deren Einfluss auf die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften von ferroischen Materialien und Gläsern zu studieren. Folgenden Themenkreise sollen dabei insbesondere untersucht werden: 1. Einfluss von eingeschränkten Geometrien auf das Verhalten von Gläsern und ferroischen Phasenübergängen 2. Domänen und elastische Objekte, wie z.B. Domänenwände in ungeordneten Systemen 3. Untersuchung möglicher Zusammenhänge zwischen dem Einfrierverhalten von Gläsern, Domänenwänden und ferroischen Relaxor Phasenübergängen Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten in England, Schweiz, Deutschland, Slowenien, der Tschechischen Republik und Österreich durchgeführt. Viele der erwarteten Ergebnisse werden Grundlagen für die Entwicklung von neuen funktionellen und strukturellen Materialien mit superioren Eigenschaften liefern.

Funktionelle Materialien sind organische oder anorganische Materialien, die sehr sensitiv und spezifisch auf Änderungen von Temperatur, elektrischem oder magnetischem Feld, Druck, etc. reagieren. Ferroische Materialien spielen in diesem Zusammenhang eine besonders wichtige Rolle, da man deren Eigenschaften besonders leicht und effizient trimmen kann, was wiederum für Anwendungen wie z.B. in der Sensorik von großem Vorteil ist. Natürlich sind die meisten dieser Materialien nicht von idealer Reinheit, sondern haben Defekte und Grenzflächen (Domänenwände, Phasenfronten, etc.) von unterschiedlicher Größe bzw. Verteilung. Da die makroskopischen Eigenschaften sehr stark von Wechselwirkungen auf verschiedensten Längen- und Zeitskalen abhängen, haben wir im Rahmen des vorliegenden Projektes untersucht, wie Strukturen verschiedener Längenskalen wechselwirken und sich gegenseitig auf verschiedenen Zeitskalen beeinflussen. Ein besonderes Highlight in diesem Zusammenhang waren die Ergebnisse die wir bei Kompressionsversuchen an einem nanoporösen glasartigen Material gewonnen haben. Wir konnten zeigen, dass sich diese Materialien bei extrem langsamer Kompression ähnlich verhalten wie unsere Erdkruste und dass dabei sogenannte Minibeben (Labquakes) auftreten, die auf Nanometerebene ganz ähnlichen Gesetzen folgen wie richtige Erdbeben auf der Kilometerskala. Damit hat man zum ersten Mal ein Material zur Verfügung, welches uns erlaubt das Verhalten von Erdbeben unter Laborbedingungen genauer zu studieren. Die Arbeit hat weltweit großes Interesse hervorgerufen. Weitere Themenkreise waren dem Einfluss von eingeschränkter Geometrie auf das Verhalten von Gläsern und ferroischen Phasenübergängen, dem Verhalten von Domänen und Domänengrenzen in ungeordneten Systemen bzw. dem Auffinden möglicher Zusammenhänge zwischen dem Einfrierverhalten von Gläsern, Domänenwänden und ferroischen Relaxor Phasenübergängen gewidmet. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten in England, Schweiz, Deutschland, Slowenien, der Tschechischen Republik und Österreich durchgeführt. Die Ergebnisse des Projektes sind inzwischen in renommierten Fachjournalen publiziert und werden Grundlagen für die Entwicklung von neuen funktionellen und strukturellen Materialien mit superioren Eigenschaften liefern.