Kinetik der Kristallkeimbildung von Polymeren und organischen Compounds niedriger Molmasse: Anwendung der Tammann'schen Methode zur Erfassung von Unterschieden und Ähnlichkeiten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. René Androsch
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464908856

Die Eigenschaften von Materialien hängen vom Anteil, der Morphologie und der Überstruktur der Kristallphase ab. Für das Kristallwachstum ist Keimbildung erforderlich, welches diese Parameter beeinflußt und deshalb eine Schlüsselrolle in der Strukturbildung und damit dem Materialverhalten zukommt. Während das Kristallwachstum und heterogene Keimbildung ausführlich untersucht wurden, gibt es Wissenslücken bezüglich der homogenen Keimbildung, vor allem bedingt durch das Fehlen geeigneter Analytik.Keimbildung bei hoher Unterkühlung kann mittels „Tammann’s two-stage nuclei development method“ analysiert werden, wobei diese Methode bereits gut für langsam kristallisierende Materialien wie Keramiken etabliert wurde. Es beinhaltet Keimbildung bei niedriger Temperatur, wo Wachstum vernachlässigbar ist, und Wachstum bei erhöhter Temperatur, wo Keimbildung sehr langsam ist. Das erlaubt dann eine Analyse der Keimzahl und die Entwicklung von feinkörnigen Gefügen. Für schnell kristallisierende Materialien ist Tammann’s Methode jedoch unzureichend entwickelt, was weitere Forschung notwendig macht.„Fast scanning chip calorimetry“ (FSC) ist eine neue Technik, um Keimbildung auch in schnell kristallisierenden Stoffen zu studieren, weil damit definierte Keimbildungs- und Wachstumsbedingungen eingestellt werden können. Diese Methode soll zusammen mit speziellen Mikroskopieverfahren angewendet werden, um Systeme bestehend aus großen und kleinen organischen Molekülen, einschließlich Polymeren und Pharmazeutika, zu untersuchen. Tammann’s Methode soll auf Anwendbarkeit auf derartige Systeme getestet werden, wobei insbesondere die Keimtransferbedingungen als noch nicht zuvor untersuchten Parameter analysiert werden sollen. Die Einbeziehung großer und kleiner Moleküle mit unterschiedlicher Struktur und damit Nebenvalenzbindungen wird Informationen über die Strukturabhängigkeit der Keimbildung liefern.Die Projektergebnisse werden die Weiterentwicklung von Verarbeitungstechnologien von Polymeren und Pharmazeutika fördern, um Materialien mit maßgeschneiderten Strukturen für spezifische Anwendungen zu entwickeln. Auch wird davon ausgegangen, dass die Keimbildungstheorie weiterentwickelt wird, so dass Spezifika von Systemen bestehend aus unterschiedlicher Bausteinen besser berücksichtigt werden.In diesem Projekt werden Kapazitäten der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Germany), spezialisiert auf Polymerkristallisation und -materialentwicklung, sowie der Universität Kazan (Russland), mit Expertise auf dem Gebiet der Kristallisation und Thermodynamik von kleinen organischen Molekülen, kombiniert. Beide Partner verfügen über eine exzellente Infrastruktur für die Keimbildunganalyse, einschließlich FSC und diversen Imaging-Techniken. Dies wird zu synergistische Effekten hinsichtlich eines verbesserten Verständnisses der Keimbildung zwecks Erstellung von Korrelationen zwischen der chemischen Struktur von Materialien, Verarbeitungsrouten und Endeigenschaften führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Boris Solomonov, bis 3/2022