Multiskalenmodellierung von Tensid-stabilisierten Kohlenstoffnanoröhrennetzwerken

• Antragsteller: Dr. Dirk Müter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 195705734

In diesem Projekt sollen die makroskopischen Eigenschaften eines dreidimensionalen Netzwerks aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) untersucht und optimiert werden. Dazu wird ein Multiskalenmodell entwickelt, welches molekulare und Finite-Elemente-Simulationen verknüpft. CNT-Netzwerke sind von großer Bedeutung für eine Reihe von funktionellen Anwendungen, z. B. Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Sensoren, aber auch strukturellen Anwendungen beginnend bei Gerüsten in der Knochenheilung bis hin zu Schockabsorbermaterialien im Automobilbau. Alle diese Anwendungsmöglichkeiten verlangen nach bestimmten mechanischen Eigenschaften des CNT-Materials. Ein reines CNT-Netzwerk ist mechanisch anfällig aufgrund der unzureichenden Lastübertragung zwischen den einzelnen Röhrchen, kann aber durch sogenannte „molekulare Klammern“ verstärkt werden. Diese „Klammern“ werden in wässriger Lösung gebildet, können aber durch chemische Verfahren stabilisiert werden, um das Kompositmaterial im trockenen Zustand anwendbar zu machen. Dieser Ansatz behält die offene Porenstuktur bei und fokussiert sich darauf, die Kreuzungspunkte zwischen den Röhren zu verstärken, um stabile Verbindungen zu erhalten. Die Schlüsselfrage, die mit diesem Projekt beantwortet werden soll, ist, wie die Eigenschaften einer einzelnen Verbindung, die mit molekularen Simulationen untersucht werden kann, die makroskopischen Materialeigenschaften beeinflusst. Da die makroskopische Ebene jedoch nicht mit molekularen Simulationen erreicht werden kann, wird hier ein Multiskalenansatz verfolgt. Dabei werden die makroskopischen Parameter des Materials durch die Eigenschaften der einzelnen Verbindungen vorhergesagt, welche schlussendlich mit den Eigenschaften der einzelnen Moleküle verknüpft sind. Als zweites ambitionierteres Ziel soll von der Makroebene zurückgeschlossen werden, welche Moleküle die benötigten Eigenschaften der Verbindungen hervorrufen, um so bestimmte makroskopische Eigenschaften zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Henry Bock