Institute und Experten

Technologisch relevante elastische Eigenschaften von Eisen, die Zugspannung, die Phononendispersion und die thermische Ausdehnung, wurden auf der Grundlage moderner quantenmechanischer Methoden berechnet. Diese Methoden erlauben eine genaue und realistische Beschreibung von Materialeigenschaften und kommen ohne Verwendung von experimentellen/empirischen Eingabegrößen aus. Die Leistungsfähigkeit dieses Zugangs wird für Eisen an zwei Beispielen demonstriert: Die Zugspannung wird für extreme Belastungen entlang zweier unterschiedlicher kristallographischer Richtungen, [001] und [111], untersucht. Im zweiten Teil wird diskutiert, wie sich diese Methoden, welche streng genommen nur bei T = 0K gelten, zur Beschreibung von Materialeigenschaften bei endlichen Temperaturen einsetzen lassen.

Neue hochwarmfeste Werkstoffe auf Basis der intermetallischen Phase NiAl werden für Anwendungen als Strukturkomponenten in Energiewandlungssystemen entwickelt und charakterisiert. Die intermetallische Verbindung NiAl mit B2-Übergitter weist eine Kombination ausgezeichneter physikalischer und mechanischer Eigenschaften auf. Aufgrund der geordneten Kristallstruktur sind Duktilität und Zähigkeit bei Raumtemperatur eingeschränkt. In unverstärktem NiAl sind Warmfestigkeit und Kriecheigenschaften bei Temperaturen oberhalb 800 °C noch nicht ausreichend. Die Refraktärmetalle Cr, Mo und Re bilden mit NiAl quasibinäre eutektische Systeme und gestatten die Herstellung von in situ faserverstärkten NiAl-Basislegierungen mit thermisch stabilen Mikrostrukturen. Im Vergleich zu einphasigem NiAl zeichnen sich die mit Refraktärmetallen verstärkten NiAl-(Cr,Mo,Re)-Legierungen durch verbesserte Duktilität und höhere Kriechfestigkeiten aus.

Molekularer Wasserstoff (H₂) ist ein wichtiger umweltfreundlicher Energieträger für Anwendungen, z.B. in Brennstoffzellen, an denen derzeit weltweit geforscht wird. Bisher stellt die großtechnische Produktion von Wasserstoff aus Wasser mittels Sonnenlicht allerdings noch eine große Herausforderung dar. In der Natur nutzen Bakterien dieses Molekül als Energiequelle, die in sauerstoffarmer Umgebung leben. Die Hauptklassen der Hydrogenasen – der Enzyme, die Erzeugung oder Umsetzung von H₂ katalysieren – wurden spektroskopisch mit EPR- und FTIR-Methoden und mit quantenchemischen Berechnungen untersucht, um den Reaktionsmechanismus aufzuklären.

Die Untersuchung von Oberflächen, Grenzflächen und dünnen Schichten stellt einen wichtigen Aspekt der Festkörperforschung dar. Die geometrische Struktur der Oberflächen kann auf atomarer Skala mit verschiedenen Mikroskopiemethoden im Realraum abgebildet werden. Die genaue atomare Struktur wird mittels Informationen aus Elektronenspektroskopie, dem Rastertunnelmikroskop und der Beugung langsamer Elektronen bestimmt. Einige Beispiele aus dem Spektrum solcher Untersuchungen werden vorgestellt.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden als Paradebeispiel für Nanostrukturen vorgestellt. Experimente zum elektrischen Ladungstransport und Methoden zur Identifizierung einzelner Nanotubes werden beschrieben. Anwendungen als Transistoren, Leiterbahnen und als elektromechanische Bauelemente werden erörtert.