SFB 1109:  Molekulare Einblicke in Metalloxid-Wasser-Systeme: Strukturelle Evolution, Grenzflächen und Auflösung

Fachliche Zuordnung Chemie
Förderung Förderung von 2014 bis 2018
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234149247
 

Projektbeschreibung

Metalloxid-basierte Materialien sind sowohl für eine Vielzahl von bestehenden als auch für sich neu entwickelnde industrielle und verbraucherorientierte Anwendungen von entscheidender Bedeutung. In solchen Anwendungen, die von medizinischen Implantaten bis hin zu Oberflächenbeschichtungen und Baumaterialien reichen, stehen Metalloxide sehr häufig im Kontakt mit Wasser, und in der Regel werden sie auch aus der wässrigen Lösung heraus hergestellt. Ein umfassendes Verständnis der Metalloxid/Wasser-Wechselwirkungen auf der molekularen Ebene ist daher für die Entwicklung von Materialien, die ausgewählte Eigenschaften besitzen und langzeitstabil sind (Resistenz gegenüber Abbau und Korrosion), unverzichtbar aber dennoch bislang unerreicht. Es erfordert Verbundforschung unter Berücksichtigung einer großen Bandbreite beim Wasseranteil und bei der Oxid-Komplexität (von individuellen Molekülen über Cluster und Nanopartikel bis hin zu ausgedehnten kristallinen und amorphen Materialien). Die erforderliche Multiskalen-Betrachtung stellt – auch methodisch – eine Herausforderung dar, die unser SFB annimmt und mit Focus auf bestimmte repräsentative Oxide über die Gesamtlaufzeit eine vollständige Beschreibung der Bildungs- und Auflösungsprozesse anstrebt. Zur Untersuchung der unterschiedlichen Prozessstufen, die beim Aufbau und bei der Auflösung von Oxiden in der wässrigen Phase durchlaufen werden, setzt der SFB eine Kombination modernster theoretischer und experimenteller Methoden (auch in-situ) ein. In der ersten Förderphase konzentrierte sich der SFB auf die frühen Stadien der Oxidbildung, die Wechselwirkung von Modelloberflächen mit kleineren Mengen an Wasser, die Herstellung und die Eigen-schaften von Defektstellen, die Nukleation und Kristallisation sowie auf die Ergründung des Potentials mole¬kularer Verbindungen und zweidimensionaler Filme als Modelle für stärker aggregierte Strukturen. Diese Themen sowie weiterführende Fragestellungen, die unsere Ergebnisse aufgeworfen haben, werden auch Gegenstand der zweiten Finanzierungsperiode bleiben. Besonderes Augenmerk wird jedoch auf die Vertiefung des mechanistischen Verständnisses zur Bildung und Auflösung der Strukturen von Metall-oxiden gelegt werden. Zudem werden nichtlokale Effekte explizit berücksichtigt werden. Auf der Seite der Oxide gehören dazu beispielsweise Phasen¬übergänge sowie Veränderungen, die sich mit der Systemgröße für die elektronischen Zustände ergeben, auf der Seite des Wassers die Auswirkungen der Vergrößerung der Zahl der Wassermoleküle bei Oberflächen-Untersuchungen sowie der Einfluss gelöster Ionen, womit auch die Verbindung zu natürlich vorkommenden Systemen weiter gestärkt wird. Der SFB strebt vor allem nach fundamentalen Einsichten. Das erhaltene Wissen wird jedoch auf lange Sicht auch den Weg für die rationale Synthese von Metalloxiden mit vorgegebenen Eigenschaften öffnen sowie einen Zugang zu Materialien mit neuartigen Zusammensetzungen und Strukturen bieten.
DFG-Verfahren Sonderforschungsbereiche

Abgeschlossene Projekte

Antragstellende Institution Humboldt-Universität zu Berlin
Beteiligte Hochschule Freie Universität Berlin; Technische Universität Berlin; Universität Potsdam
Beteiligte Institution Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM); Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI); Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Sprecher Professor Dr. Christian Limberg