- 1. NeueWerkstoffedurchMultiskalensimulation: Von derQuantenmechanikzurKontinuumstheorie Von krummenDolchen und vergammeltenMeeresfrüchten Dierk Raabe Düsseldorf Martin Friak, Franz Roters, Tilmann Hickel, Helge Fabritius, Stefan Zaefferer, Dierk Ponge, Pyuck Choi, Jörg Neugebauer 29. März 2010, MNU Bundeskongress, Max-Planck-Institut, Düsseldorf
- 3. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 5. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
- 6. 2
- 7. 3 Zeitaltertragen die Namen von Materialien
- 8. 4 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen Kadesch 1274 v.Chr. Beginn der Eisenzeit: Erstmals Hiebwaffen aus Eisen Große Streitwagen Erster belegter Friedensvertrag Eisen als Schlüsseltechnologie
- 9. 5 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite 1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid) 1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)
- 10. 6 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl
- 11. 7
- 12. 8 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu
- 13. 9 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo
- 14. 10 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika….. www.mpie.de
- 16. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 18. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
- 21. Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können
- 23. EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69
- 24. 13 Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert www.mpie.de
- 26. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 28. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
- 29. Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung h/(2p) Viele Teilchen Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
- 30. Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen i Elektronen: Masse me; Ladung qe= -e; Koordinaten rei j Kerne: Masse mn ; Ladung qn= ze; Koordinaten rnj Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
- 31. Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik Elektronen Atomkerne Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
- 32. Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie Die Energie des Grundzustandes eines Vielkörpersystems ist eine eindeutige Funktion der Teilchendichte Das Funktional E(n(r)) hat sein Minimum bezüglich einer Variation der Teilchendichte bei der Gleichgewichtsdichte n0(r) Chemistry Nobelprice 1998 Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
- 33. 19 Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
- 35. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 37. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
- 38. 21 Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen Mega-Themen für neue Werkstoffe Energie Wasser Gesundheit Mobilität Information Infrastruktur
- 39. 22 20-25 GPa 115 GPa NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Spannungs-Abschattung (Stress shielding) ElastischeFehlpassung: Knochenauflösung, Abrasion, Entzündung Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
- 40. 23 NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Design-Aufgabe: HerabsetzungderelastischenSteifigkeit Kubisch-raumzentrierteGitterstruktur: Ti-Nb, … Bio-kompatibleElemente Ti Ti-Nb M. Niinomi, Mater. Sci. Eng. 1998 Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
- 41. 24 NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S U: Dichtefunktional-Theorie(DFT) S: Konfigurationsentropie Elastischer Tensor Vielkristall-Steifigkeit (Homogenisierung) ZweiPhasen Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
- 42. 25 Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
- 44. Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit Raabe, Zhao, Park, Roters: Acta Mater. 50 (2002) 421
- 45. 27 Kernaussage Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt: Die wissensbasierte Entwicklung elastisch weicher Titanlegierungen vermindert die Zahl der Operationen www.mpie.de
- 47. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 49. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
- 50. 29 Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
- 51. 30 Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen Martensit- bildung 1000 800 600 400 200 0 Zwillingsbildung Stress s [MPa] konventionell 0 20 40 60 80 100 Strain e [%] www.mpie.de
- 52. 31 Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen Martensit- bildung 1000 800 600 400 200 0 TRIP Zwillingsbildung Stress s [MPa] TWIP 0 20 40 60 80 100 Strain e [%] www.mpie.de
- 53. 32
- 55. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 57. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
- 58. 58Ni+2 56Fe+2 48Ti+2 55Mn+2 200 nm 60Ni+2 54Fe+2 initiated evaporation by or 24 26 28 time of flight mass / charge state Time of flight spatial resolution layer-by-layer 100 nm – high voltage 10 kV + 3D Atomsonde LEAP (Local Electrode Atom Probe) 3D reconstructed model of specimen (100 Millions of atoms) Raabe, Ohsaki, Hono: Acta Materialia 57 (2009) 5254
- 59. Atomare Analyse und ab initio Modelle Cu Fe 100nm 35 Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 60. 36 Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR Cu 2 wt.% 120 min 450°C aging 6000 min Iso-concentration surfaces for Cu 11 at.% 20 nm 20 nm Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 61. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 62. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 63. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 64. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 65. 41 Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien (attractive) = -0.245 eV / atom Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
- 66. 42 Kernaussage Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren und Transformatoren können CO2 reduzieren www.mpie.de
- 68. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
- 70. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
- 71. 44 Chitin Exoskelet von mehrals 90% allerTiere auf der Welt Adaptives Material Kandidatfür Bio-inspirierteWerkstoffe Raabe, Sachs, Romano: Acta Mater. 53 (2005) 4281
- 72. 45 HierarchiederStruktur von Chitin-Verbundwerkstoffen Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010) p. 519; Al-Sawalmih et al.: Adv. Funct. Mater. 18 (2008) p. 3307 Sachs, Fabritius, Raabe: Journal of Structural Biology 161 (2008) 120
- 73. 46 Epicuticle Exocuticle Endocuticle
- 75. 48 180° rotation of fiber planes
- 76. 49
- 77. 50
- 78. 51
- 79. 52
- 80. 53
- 81. 54
- 82. 55 R3 R1 R4 R2 Beam stop XRD, chitin DESY (BW5), l=0.196 Å. A. Al-Sawalmih at al. Advanced functional materials 18 (2008) 3307
- 92. 65 Ab initio Berechnung von α-Chitin Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
- 93. 66 two conformations of -chitin Ab initio Berechnung von α-Chitin 108 atoms / 52 unknown H-positions Hydrogen positions? H-bonding pattern ? R. Minke and J. Blackwell, J. Mol. Biol. 120, (1978)
- 95. 68 Ab initio Berechnung von α-Chitin c b C, CNH Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
- 96. 69 HierarchischeModellierung Nikolov, Fabritius, Friak, Neugebauer, Raabe : Adv. Mater. 2009