Dynamische Elastizität komplexer Materialien

Wissenschaft und Technologie im 21. Jahrhundert beruhen auf der Entwicklung von neuen Materialien, die optimal auf Änderungen der Umgebung reagieren können. Solche "funktionellen Materialien", die sich deutlich von sogenannten "strukturellen Materialien" unterscheiden reagieren sehr sensitiv und spezifisch auf Änderungen von Temperatur, Druck, elektrischem bzw. magnetischem Feld, optischer Wellenlänge, Konzentration von Beimischungen, etc. Beispiele von komplexen funktionellen Materialien sind Ferroelektrika, Piezoelektrika, ferroelektrische Relaxoren, ferroelastische Materialien, komplexe elektronische Materialien, etc. Man weiß inzwischen, dass die makroskopischen Eigenschaften von komplexen Materialien oft zu einem großen Anteil von intermediären Strukturen auf mesoskopischer, bzw. nanoskopischer Längenskala bestimmt werden, welche oft durch elastische Wechselwirkungen getrieben werden. Das vorliegende Projekt konzentriert sich auf den Einfluss von homogenen und inhomogenen Verzerrungen und mechanischen Spannungen auf das thermodynamische und dynamische Verhalten von komplexen Materialien. Es umfasst die folgenden Themenkreise: (1) Einfluss von Verzerrungen und Mikrostrukturen auf die physikalischen Eigenschaften der Materialien (2) Kritisches Verhalten und Dynamik von Phasenübergängen (3) Domänen und Domänenwände in ungeordneten Systemen (4) Phasenübergänge bei hohem Druck Um diese Ziele zu erreichen, planen wir ein enges Zusammenspiel zwischen experimenteller Arbeit, Computersimulationen und analytischer Theorie. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten in England, Frankreich, Deutschland, Slowenien, Polen und Österreich durchgeführt. Viele der erwarteten Ergebnisse werden Auswirkungen für die Entwicklung und Technologie von multifunktionellen Materialien haben. Die Resultate bezüglich der Hochdruckphasenübergänge werden bedeutende Erkenntnisse über erdwissenschaftliche Probleme liefern.

Wissenschaft und Technik des 21ten Jahrhunderts sind sehr stark von der Entwicklung neuer funktioneller Materialien abhängig. Diese Materialien reagieren sehr sensitiv auf Änderungen der Umgebung wie Temperatur, Druck oder mechanischer Spannungen, magnetischer, oder elektrischer Felder, etc. Der makroskopische Response dieser Materialien - der natürlich für technische Anwendung ausschlaggebend ist - hängt entscheidend von statischen und dynamischen Strukturen verschiedener Längenskalen ab (von Nanometer über Mikrometer bis hin zu makroskopischen Größen). Wir haben im Rahmen des vorliegenden Projektes die spezifische Rolle von homogenen und inhomogenen Verzerrungen und mechanischen Spannungen für eine Reihe von Materialien einschließlich Perovskiten, Formgedächtnis Legierungen, multiferroischen Materialien, sowie molekularen Gläsern, untersucht. Dabei konnten wir einen wissenschaftlichen Durchbruch in 2 Gebieten erzielen: Molekulare Gläser: Durch Messung der dynamischen Elastizität von Salol, Toluene, o-TP und anderen glasbildenden Flüssigkeiten konnten wir zum ersten Mal Größe und Temperaturabhängigkeit der dynamischen Korrelationslänge in der Nähe der Glastemperatur bestimmen. Durch Messungen der molekularen Flüssigkeiten in Nanoporen konnten wir den sogenannten "Confinement-Effekt" auf die Glasbildung studieren. Domänenwandbewegung in ungeordneten Materialien: In einer engen Kooperation mit Wissenschaftern der Universität Cambridge, U.K. haben wir die dynamische Elastizität an einer Reihe von sogenannten Perovskit Materialien gemessen. Ca. 60% unserer Erde besteht daraus. Das beobachtete "superelastische Weichwerden" konnte im Rahmen eines neuartigen theoretischen Modelles beschrieben werden. Die Resultate des Projektes führen zu einem tieferen Einblick in das schwierige Gebiet der Gläser. Die neuen dynamischen elastischen Messungen haben eine Tür geöffnet um dynamische Heterogenitäten bis weit in das Glasgebiet hinein zu messen. Die Ergebnisse bezüglich der Domänenwandbewegungen in ferroelastischen Materialien sind von großer Relevanz für technische Anwendungen, denn die makroskopischen Eigenschaften von Materialien hängen sehr stark von der Zahl und Mobilität der Domänen ab (siehe z.B. Relaxor-Übergänge). Sie haben auch Bedeutung für die Erdwissenschaft, denn die seismischen Eigenschaften unserer Erde werden sehr stark von Domänenwandbewegungen ferroelastischer Materialien beeinflusst. Schließlich würde ein Verständnis des sogenannten "Domain-freezings" in ungeordneten Systemen zu einem besseren Verständnis des Glasüberganges (ein 6000 Jahre altes Problem!) im Allgemeinen führen.