Maßgeschneiderte Partikel skalierbare Prozesse, d.h. die Produktion in hinreichenden Mengen. Daher werden vor allem kontinuierliche Verfahren entwickelt und direkt mit in-situ Messtechnik gekoppelt. Diese analytischen Methoden erlauben direkte Einblicke in die ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgänge und eröffnen so neue Wege zur Steuerung und Optimierung von Prozessen und Produkten. Halbtechnische Versuchsanlagen (z.B. Fluid-FeststoffReaktoren, Wirbelschichten, Schmelzemulgierung) ermöglichen die Handhabung größerer Produktmengen und die Entwicklung von scale-up Regeln.
Interdiziplinärer Ansatz – Forschung in Prozessketten Modernen Hochleistungsmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften kommt eine Schlüsselrolle für Fortschritte und Durchbrüche in zukunftsträchtigen Innovationsbereichen zu. Das Arbeiten in Prozessketten im Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) zielt darauf ab, Partikel mit definierten Größe, Formen und Oberflächeneigenschaften zu erzeugen, die dann zu funktionalen Strukturen mit ganz spezifischen Eigenschaften zusammengebaut werden. Anwendungsbeispiele sind elektronische Bauelemente wie Feldeffekttransistoren, Leuchtdi-
oden oder Solarzellen, optische Metamaterialien, d. h. Materialien mit völlig neuen optischen Eigenschaften, Katalysatoren mit besonderer Selektivität oder Metallbleche, die durch Einarbeitung von Partikeln verbessert werden. Eine wichtige Herausforderung besteht in der Steuerung makroskopischer Eigenschaften durch mikroskopische Kontrolle der Partikelgrenzflächen. Diese wird durch modernste, hochpräzise, nichtinvasive Messverfahren ermöglicht, insbesondere durch optische Charakterisierung von einzelnen Nanopartikeln oder in-situ-Beobachtung von Syntheseprozessen. Im EAM stehen im Zentrum für Nanoanalytik und Elektronenmikroskopie (CENEM) eine hohe Kompetenz und modernste apparative Ausstattung zur ex-situ und in-situ Strukturanalytik (aberrationskorrigierte Elektronenmikroskopie mit einem TITAN3, Streumethoden, Spektroskopie) zur Verfügung. Der Bereich Modellbildung und Simulation macht immer realistischere und komplexere Fragestellungen zugänglich. Gleichzeitig erleichtern Optimierungsstrategien den hierarchischen Strukturaufbau im Hinblick auf die Funktion von Materialen und Bauteilen. Modellbasierte Methoden sind für das Verständnis und die Steuerung der ablaufenden Prozesse essentiell. Im Rahmen des Zentralinstituts für
Prozesskette von den Bausteinen zu den Bauteilen
53 Scientific Computing (ZISC), das aus dem EAM heraus gegründet wurde, erforschen Arbeitsgruppen für Modellbildung und Simulation skalenübergreifende Ansätze sowie Verfahren zur Struktur-, Eigenschafts- und Prozessoptimierung.
Anwendungsbeispiel: Partikel mit neuartigen optischen Eigenschaften Im Auto, zu Hause, im Büro – dunkle Flächen und getönte Scheiben schlucken das Sonnenlicht, heizen sich auf und geben die Wärme an die Umgebung ab. Die Entwicklung von neuartigen beschichteten Nanopartikeln kann dafür sorgen, dass Oberflächen kühler bleiben. Ziel eines interdisziplinären EAM-Projekts war es, eine Prozesskette abzubilden, die von definierten optischen Eigenschaften (z.B. einem frei wählbaren Extinktionsspektrum) bis zu einem maßgeschneiderten Partikel mit den gewünschten optischen Eigenschaften führen. Es sollten Partikel entwickelt werden, die durchsichtig sind, aber die nahe IR-Strahlung, d.h. die Wärme draußen lassen. Dies konnte mit einem bisher beispielslosen Ansatz realisiert werden, bei dem die Partikel am Computer mit Hilfe ausgefeilter Optimierungsstrategien entworfen und dann mit neuartigen Herstellungsmethoden erzeugt wurden. Hierfür wurde die Expertise in Erlangen im Bereich Simulation und Optimie-