Wechselwirkungen von einfachen Molekülen mit den Grenzflächen von technischen nanostrukturierten Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des hier durchgeführten Transferprojekts zwischen der Robert Bosch GmbH und der Universität Karlsruhe (TH) (jetzt Karlsruher Institut für Technologie, KIT) sollten die Wechselwirkungen von Wasser und anderen einfachen Molekülen mit Oberflächengruppen Yttrium-stabilisierter Zirkondioxidpulver sowie Siliciumoberflächen durch quantenchemische Rechnungen auf DFT und ab-initio-Basis theoretisch geklärt werden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen sind von hoher technischer Relevanz für die Herstellung von ionenleitenden Keramiken, die in vielfältigen Einsatzgebieten zur Anwendung kommen. Zur Prozessierung von Keramikpulvern werden oft organische Prozesshilfsmittel wie Alkohole, organische Säureester oder Carbonsäuren eingesetzt. Die einzelnen Teilziele des Projektes, die im Wesentlichen auch erreicht wurden, waren: • Untersuchung der Oberflächenchemie und der chemischen Interaktionen des ZrO2- Systems gegenüber einfachen Sondenmolekülen (Wasser, Alkohole, kleine aliphatische Kohlenwasserstoffe) mit quantenchemischen Methoden. • Verschiebung der Grenzen der berechenbaren Molekülgrößen zu größeren Spezies. Einbeziehung von Effekten, die durch Strukturmerkmale wie Kanten und Ecken auf Oberflächen hervorgerufen werden. • Untersuchung der Kräfte zwischen molekularen Schichten zur Berücksichtigung des Wachstums in der dritten Dimension (z.B. van der Waals-Wechselwirkungen zwischen großen Molekülen). • Einbeziehung des Übergangs von Physisorption zu Chemisorption. • Aufbau geeigneter Analysenmethoden, um die Wechselwirkung von Wasser und weiterer prozessnaher Sondenmoleküle mit Oberflächengruppen Yttriumstabilisierter Zirkondioxidpulver experimentell aufzuklären. Die quantenchemischen Berechnungen für die Simulation der Wechselwirkungen von Wasser und anderen Sondenmolekülen mit den betrachteten nanostrukturierten Oberflächen wurden am KIT durchgeführt. In der Abteilung CR/ARA der Robert Bosch GmbH, Stuttgart, wurden durch geeignete Analysenmethoden solche Wechselwirkungen experimentell erfasst und zur Validierung der molekularen Simulation eingesetzt. Durch die Arbeiten konnte ein aus molekularen Eigenschaften abgeleitetes Prozessverständnis entwickelt werden, mit dessen Hilfe Prozesse für die Verarbeitung nanostrukturierter Materialien wie Keramik-Precursoren gestaltet werden und die Aufwendungen für zeitsowie kostenintensiven Experimente und Analysen verringert werden können. Dies erfolgte durch die experimentelle Bestimmung und Berechnung der Wechselwirkungen von Sondenmolekülen mit den Oberflächengruppen Yttrium-stabilisierter Zirkondioxidpulver. Eine auf Basis der Ergebnisse zu entwickelnde Pulverspezifikation und die daraus resultierende Standardisierung für die optimierte Beherrschung keramischer Prozesse eingesetzt werden. Aus Sicht der Antragsteller war dieses Forschungsvorhaben ein äußerst gelungenes Muster eines Transferprojektes.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Thermochimica Acta 473 (2008) 32–39
T. Finke, M. Gernsbeck, U. Eisele, C. Vincent, M. Hartmann, S. Kureti, H. Bockhorn
- Ceramic Forum International, cfi/Ber. DKG 86, No.13 (2009) E7
T. Finke, K. Bindler, U. Eisele, N. Sebbar, L. Rutz, H. Bockhorn
- J. Am. Ceram. Soc., 92 (2009) 1823–1830
T. Finke, D. Lingenfelser, K. Bindler, U. Eisele, H. Bockhorn, G. Brunklaus
- Soft Materials, 10 (2012) 344–368
N. Sebbar, L. Rutz, T. Finke, H. Bockhorn
