Verformung hierarchischer und anisotroper poröser Festkörper durch Fluidadsorption

• Antragstellerin: Dr. Gudrun Reichenauer
• Mitantragstellerinnen / Mitantragsteller: Professorin Dr. Nicola Hüsing; Professor Dr. Oskar Paris
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252047785

Ziel des Projektes ist es ein grundlegendes Verständnis der adsorptionsinduzierten Verformung von monolithischen Materialien mit hierarchischer Porosität zu erarbeiten. Makroporöse Netzwerke bestehend aus einem mesoporösen Gerüst mit mikroporösen Porenwänden sollen synthetisiert werden, mit dem Ziel Größenverteilung, Volumenanteil und insbesondere auch die Anisotropie der Poren auf den verschiedenen hierarchischen Ebenen zu kontrollieren. Die zentrale Motivation des Antrags ist die Erarbeitung von Zusammenhängen zwischen den physikalisch-chemischen Parametern der adsorptionsinduzierten Verformung auf der Nanometer Skala und der hierarchischen und anisotropen Netzwerkstruktur, die unter anderem zu einer reversiblen Bewegung (Aktuation) auf der makroskopischen Ebene führt. Die Projektergebnisse sollen die wissenschaftliche Basis für zukünftige Anwendungen solcher Materialien in maßgeschneiderten schaltbaren Komponenten schaffen. Die grundlegenden Arbeitsschritte sowie die innovativen Aspekte des Projektes sind:Die Etablierung neuer Syntheseverfahren von monolithischen makro-meso-mikroporösen SiO2 Materialien mit gezielter Steuerung der Fluid-Wand Wechselwirkung sowie des Anisotropie-Grades auf unterschiedlichen Hierarchieebenen. Der Syntheseansatz beruht auf Sol-Gel Verfahren unter externen Kraftfeldern, z.B. Scherung oder einachsiger Kompression, wobei die Silica Materialien dann auch als Template zur weiteren Herstellung von Kohlenstoff- und Siliziummaterialien dienen sollen.Die erstmalige explizite Berücksichtigung von Strukturen auf verschiedenen Längenskalen zum Verständnis der adsorptionsinduzierten Verformung hierarchischer poröser Systeme. Synchrotron basierte Strukturuntersuchungen auf allen Längenskalen sowie eine einzigartige Kombination von in-situ Adsorptionsuntersuchungen mit Röntgenstreuung und Dilatometrie werden eingesetzt, um die makroskopische Antwort des Systems auf die Fluid-induzierte Verformung auf der Nanoskala quantitativ zu erfassen. Einfache Modellflüssigkeiten wie n-Pentan und Stickstoff, aber auch Wasser als komplexes anwendungsrelevantes Adsorptiv werden eingesetzt.Die Entwicklung und experimentelle Validierung hierarchischer mechanischer Modelle der adsorptionsinduzierten Verformung. Die Modelle basieren auf analytischen und/oder numerischen Ansätzen zur Beschreibung der Verformung einzelner Mesoporen, gekoppelt mit Finite-Elemente (FEM) poromechanischen Rechnungen zur Bestimmung der makroskopischen Verformungen.Das Projekt verbindet die komplementären Expertisen von drei experimentell arbeitenden Gruppen in Österreich und Deutschland, unterstützt von einem theoretisch an diesem Thema arbeitenden Kooperationspartner aus den USA. Die Ergebnisse aus dem Projekt sollten daher sowohl für Theorie- bzw. Modellierungsgruppen, als auch für angewandte Forschungsgruppen im Bereich der Entwicklung von Sensoren und Aktoren, sowie von Energiespeichersystemen und von Katalysatoren von großem Interesse sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich