Gast-Wirt-Wechselwirkungen, Diffusion und mechanische Eigenschaften von festen Fullerenphasen, Fulleren-Komposit- und Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen, mechanische Eigenschaften, Nano Sieving

• Applicant: Professor Dr. Thomas Heine
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Molecules, Materials, Surfaces
• Term: from 2003 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5388672

In der ersten Phase der Förderung wurden Fullerenfestkörper und ihre Bausteine hinsichtlichihrer Stabilität und ihrer Eigenschaften untersucht. Wir konnten zahlreiche Beiträge zu diesemThema liefern und können die theoretischen Studien zu Fullerenfestkörpern mitexperimentellem Hintergrund als abgeschlossen betrachten. Darüber hinaus ergaben unsereArbeiten neue Fragestellungen zu Kohlenstoff-Nanostrukturen, die uns motivierten, diesenFortsetzungsantrag zu stellen: Wir planen, uns in den kommenden 3 Jahren mit nanoporösenKohlenstoffstrukturen mit potentieller technologischer Relevanz zu befassen. Wirinteressieren uns insbesondere für deren mechanische Stabilität, für die Möglichkeit, Gase inden Nanoporen zu adsorbieren und zu trennen, sowie für die Wärmeleitfähigkeit dieserMaterialien.Feste Phasen von nanoporösen Kohlenstoffstrukturen, insbesondere solche, die Fullerene oderKohlenstoff-Nanoröhren enthalten bzw. aus diesen Nanopartikeln hergestellt werden, sollentheoretisch untersucht werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen die technologischrelevanten Eigenschaften dieser Materialien. Sie sind sehr leicht, können aber trotzdem einehohe mechanische Stabilität aufweisen. Daher sollen die mechanischen Eigenschaftenuntersucht werden. Hier sollen sowohl die ”statischen“ Eigenschaften wie dieElastizitätskonstanten, aber auch die dynamischen Eigenschaften wie die Stabilität unterhohen Drücken und unter Zug bzw. Verdrillung untersucht werden. Der Einfluss vonstrukturellen Änderungen auf die Elektronik dieser Strukturen stellt einen weiteren Aspektdieser Untersuchungen dar. Da Kohlenstoff-Nanostrukturen auch bei hohen Temperaturenihre hohe mechanische Stabilität nicht verlieren und gleichzeitig eine hoheWärmeleitfähigkeit aufweisen, soll letztere, in Abhängigkeit von der Temperatur und vomTemperaturgradienten, untersucht werden.Die Nanoporen erlauben die Aufnahme von Gastmolekülen, beispielsweise von He, H2, CO,CO2 oder CH4. Die Speicherung von Gastmolekülen in Nanoporen ist von technologischemInteresse und soll hier untersucht werden. Zur Beschreibung der Speicherkapazität ist nichtnur die Wechselwirkungsenergie von Bedeutung, auch Beiträge aus der Entropie müssenberücksichtigt werden. Die Natur der Gast-Wirt-Wechselwirkungen, insbesondere dieBeiträge aus London-Dispersion (induzierter Dipol − induzierter Dipol) sollen mit solchenvom Typ Dipol − induzierter Dipol verglichen und quantifiziert werden, um effizienterStrukturen für technologisch relevante Anwendungen vorschlagen zu können.Schließlich soll die Diffusion von Gastmolekülen durch die Nanostrukturen untersuchtwerden. Neben topologischen Einflüssen auf die Diffusionsraten, beispielsweise durchKanäle, die Diffusion bevorzugt in eine Raumrichtung erlauben, soll der Effekt desmolekularen Siebens (molecular sieving) bzw. des Nanoreinigens (nano cleaning) betrachtetwerden. Hier spielen die Gast-Wirt-Wechselwirkungen und die Topologie der Nanoporen eineentscheidende Rolle. Neben den Diffusionsraten sind auch die Verweilzeiten vonGastmolekülen in den Nanostrukturen interessant, da diese wichtig für die Reinigung derStrukturen sind. Beispielsweise soll untersucht werden, ob und wie Nanoporen, die durch N2passiviert wurden, wieder aktiviert werden können. Für die Berechnungen der Strukturen undder mechanischen und elektromechanischen Eigenschaften werden wir eine parametrisierteDF-TB-LCAO Methode verwenden, die schon im ersten Antragszeitraum exzellenteErgebnisse lieferte. Zur Bestimmung der Diffusionsraten benutzen wir kombinierteRechnungen auf der Basis von Hybridverfahren (QM/MM) oder an ab initio-Rechnungenkalibrierte Molekularmechanik. Die freie Bindungsenergie der Gast-Wirt-Systeme wird miteiner kürzlich von unserer Arbeitsgruppe entwickelten quantenmechanischen Methodeberechnet. Zur Simulation des nano sieving-Effekts sollen neue Methoden derMolekulardynamik, insbesondere ”Metadynamik“ getestet und implementiert werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr. Gotthard Seifert