2010 03  Raabe  Materials  Science
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2010 03 Raabe Materials Science

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2010 03  Raabe  Materials  Science 2010 03 Raabe Materials Science Presentation Transcript

  • NeueWerkstoffedurchMultiskalensimulation:
    Von derQuantenmechanikzurKontinuumstheorie
    Von krummenDolchen und
    vergammeltenMeeresfrüchten
    Dierk Raabe
    Düsseldorf
    Martin Friak, Franz Roters, Tilmann Hickel, Helge Fabritius,
    Stefan Zaefferer, Dierk Ponge, Pyuck Choi, Jörg Neugebauer
    29. März 2010, MNU Bundeskongress, Max-Planck-Institut, Düsseldorf
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    www.mpie.de
  • 2
  • 3
    Zeitaltertragen die Namen von Materialien
  • 4
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen
    Kadesch
    1274 v.Chr.
    Beginn der Eisenzeit:
    Erstmals Hiebwaffen aus Eisen
    Große Streitwagen
    Erster belegter Friedensvertrag
    Eisen als Schlüsseltechnologie
  • 5
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite
    1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid)
    1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)
  • 6
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl
  • 7
  • 8
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu
  • 9
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo
  • 10
    Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele
    Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika…..
    www.mpie.de
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    www.mpie.de
  • 12
    Ab initio Methoden für neue Werkstoffe
    • Bestmöglichematerialtheorie
    • Experimente auf atomarerebene
    • Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können
    • Kontinuumstheorie
    • EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)
    Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69
  • 13
    Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert
    www.mpie.de
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    www.mpie.de
  • Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung
    h/(2p)
    Viele Teilchen
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
  • Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen
    i Elektronen: Masse me; Ladung qe= -e; Koordinaten rei
    j Kerne: Masse mn ; Ladung qn= ze; Koordinaten rnj
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
  • Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation
    Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik
    Elektronen
    Atomkerne
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
  • Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie
    Die Energie des Grundzustandes eines Vielkörpersystems ist eine eindeutige Funktion der Teilchendichte
    Das Funktional E(n(r)) hat sein Minimum bezüglich einer Variation der
    Teilchendichte bei der Gleichgewichtsdichte n0(r)
    Chemistry Nobelprice 1998
    Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
  • 19
    Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie
    Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    www.mpie.de
  • 21
    Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen
    Mega-Themen für neue Werkstoffe
    Energie
    Wasser
    Gesundheit
    Mobilität
    Information
    Infrastruktur
  • 22
    20-25 GPa
    115 GPa
    NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur
    Spannungs-Abschattung (Stress shielding)
    ElastischeFehlpassung:
    Knochenauflösung, Abrasion, Entzündung
    Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
  • 23
    NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur
    Design-Aufgabe: HerabsetzungderelastischenSteifigkeit
    Kubisch-raumzentrierteGitterstruktur: Ti-Nb, …
    Bio-kompatibleElemente
    Ti
    Ti-Nb
    M. Niinomi, Mater. Sci. Eng. 1998
    Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
  • 24
    NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur
    Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S
    U: Dichtefunktional-Theorie(DFT)
    S: Konfigurationsentropie
    Elastischer Tensor
    Vielkristall-Steifigkeit (Homogenisierung)
    ZweiPhasen
    Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
  • 25
    Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit
    Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
  • 26
    • Ti: 115 GPa
    • Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)
    Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit
    Raabe, Zhao, Park, Roters: Acta Mater. 50 (2002) 421
  • 27
    Kernaussage
    Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt:
    Die wissensbasierte Entwicklung elastisch weicher Titanlegierungen vermindert die Zahl der Operationen
    www.mpie.de
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
  • 29
    Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
  • 30
    Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen
    Martensit-
    bildung
    1000
    800
    600
    400
    200
    0
    Zwillingsbildung
    Stress s [MPa]
    konventionell
    0 20 40 60 80 100
    Strain e [%]
    www.mpie.de
  • 31
    Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen
    Martensit-
    bildung
    1000
    800
    600
    400
    200
    0
    TRIP
    Zwillingsbildung
    Stress s [MPa]
    TWIP
    0 20 40 60 80 100
    Strain e [%]
    www.mpie.de
  • 32
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
  • 58Ni+2
    56Fe+2
    48Ti+2
    55Mn+2
    200 nm
    60Ni+2
    54Fe+2
    initiated evaporation
    by
    or
    24 26 28
    time of flight  mass / charge state
     Time of flight 
    spatial resolution
    layer-by-layer
    100 nm

    high
    voltage
     10 kV
    +
    3D Atomsonde
    LEAP (Local Electrode Atom Probe)
    3D reconstructed
    model of specimen
    (100 Millions of atoms)
    Raabe, Ohsaki, Hono: Acta Materialia 57 (2009) 5254
  • Atomare Analyse und ab initio Modelle
    Cu
    Fe
    100nm
    35
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • 36
    Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR
    Cu 2 wt.%
    120 min
    450°C aging
    6000 min
    Iso-concentration surfaces for
    Cu 11 at.%
    20 nm
    20 nm
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • 41
    Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
    (attractive) = -0.245 eV / atom
    Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
  • 42
    Kernaussage
    Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen
    Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren
    und Transformatoren können CO2 reduzieren
    www.mpie.de
  • Übersicht
    • Werkstoffwissenschaften
    • Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
    • Ab initio Einführung
    • Beispiele
    Gesundheit: Titan
    Mobilität: Stahl
    Energie: Magnetwerkstoffe
    Multifunktional: Meeresfrüchte
    Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
  • 44
    Chitin
    Exoskelet von mehrals 90% allerTiere auf der Welt
    Adaptives Material  Kandidatfür Bio-inspirierteWerkstoffe
    Raabe, Sachs, Romano: Acta Mater. 53 (2005) 4281
  • 45
    HierarchiederStruktur von Chitin-Verbundwerkstoffen
    Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010) p. 519; Al-Sawalmih et al.: Adv. Funct. Mater. 18 (2008) p. 3307
    Sachs, Fabritius, Raabe: Journal of Structural Biology 161 (2008) 120
  • 46
    Epicuticle
    Exocuticle
    Endocuticle
  • 47
    exocuticle
    endocuticle
  • 48
    180° rotation of fiber planes
  • 49
  • 50
  • 51
  • 52
  • 53
  • 54
  • 55
    R3
    R1
    R4
    R2
    Beam stop
    XRD, chitin
    DESY (BW5), l=0.196 Å.
    A. Al-Sawalmih at al. Advanced functional materials 18 (2008) 3307
  • 65
    Ab initio Berechnung von α-Chitin
    Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
  • 66
    two conformations
    of -chitin
    Ab initio Berechnung von α-Chitin
    108 atoms / 52 unknown H-positions
    Hydrogen positions?
    H-bonding pattern ?
    R. Minke and J. Blackwell, J. Mol. Biol. 120, (1978)
  • 67
    Ab initio Berechnung von α-Chitin
    CPU time
    Accuracy
    Resulting
    structures
    • Empirical Potentials
    Geometry optimization
    Molecular Dynamics
    (universal force field)
    Low
    ~103
    ~10 min
    • Tight Binding
    (SCC-DFTB)
    Geometry optimization
    (SPHIngX)
    ~500 min
    Medium
    ~102
    • DFT
    (PWs, PBE-GGA)
    Geometry Optimization
    (SPHIngX)
    ~10000 min
    High
    ~101
    C, CNH
    Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
  • 68
    Ab initio Berechnung von α-Chitin
    c
    b
    C, CNH
    Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
  • 69
    HierarchischeModellierung
    Nikolov, Fabritius, Friak, Neugebauer, Raabe : Adv. Mater. 2009