NeueWerkstoffedurchMultiskalensimulation:<br />Von derQuantenmechanikzurKontinuumstheorie<br />Von krummenDolchen und <br ...
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
2<br />
3<br />Zeitaltertragen die Namen von Materialien<br />
4<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen<br />Kadesch<br />1274 v.Chr.<br />Beginn der Eisenzeit:<br ...
5<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite<br />1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid)<br /...
6<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl<br />
7<br />
8<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu<br />
9<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo   		<br />
10<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele<br />Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere...
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
12<br />Ab initio Methoden für neue Werkstoffe<br /><ul><li>Bestmöglichematerialtheorie
Experimente auf atomarerebene
Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können
Kontinuumstheorie
EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)</li></ul>Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009...
13<br />Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert<br />www.mpie.de<br />
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung<br />h/(2p)<br />Viele Teilchen<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)<br />
Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen<br />i Elektronen: 	Masse me; Ladung qe= -e;  Koordinaten rei<br...
Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation<br />Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik<br />Elektronen<br />Atomkern...
Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie<br />Die Energie des Grundzustandes eines Vielkörpersystems ist eine ...
19<br />Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie<br />Hohenberg   Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864 <br />
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
21<br />Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen<br />Mega-Themen für neue Werkstoffe<br />Energie<br />Was...
22<br />20-25 GPa<br />115 GPa<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Spannungs-Abschattun...
23<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Design-Aufgabe: HerabsetzungderelastischenSteifi...
24<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S <br />U: Dich...
25<br />Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit<br />Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475<b...
26<br /><ul><li>Ti: 115 GPa
Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)</li></ul>Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit<br />Raabe, Zha...
27<br />Kernaussage<br />Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt:<br />Die wissensbasierte...
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
29<br />Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften<br />
30<br />Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen<br />Martensit-<br />bildung<br />1000<br />800<br />6...
31<br />Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen<br />Martensit-<br />bildung<br />1000<br />800<br />6...
32<br />
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
58Ni+2<br />56Fe+2<br />48Ti+2<br />55Mn+2<br />200 nm<br />60Ni+2<br />54Fe+2<br />initiated evaporation<br />by<br />or<...
Atomare Analyse und ab initio Modelle<br />Cu<br />Fe<br />100nm<br />35<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
36<br />Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR<br />Cu 2 wt.%<br />120 min<br />450°C aging<br />6000 min<br />Iso-concentration surfaces...
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
41<br />Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />(attractive) = -0.245 eV / atom<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitat...
42<br />Kernaussage<br />Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen<br />Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektrom...
Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele</li></ul>		Gesundheit: Titan<br />		Mobilität: Stahl<br />		Energie: Magnetwerkstoffe<br />		Multifunktional: Me...
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2010 03 Raabe Materials Science

  1. 1. NeueWerkstoffedurchMultiskalensimulation:<br />Von derQuantenmechanikzurKontinuumstheorie<br />Von krummenDolchen und <br />vergammeltenMeeresfrüchten<br />Dierk Raabe<br />Düsseldorf<br />Martin Friak, Franz Roters, Tilmann Hickel, Helge Fabritius, <br />Stefan Zaefferer, Dierk Ponge, Pyuck Choi, Jörg Neugebauer<br />29. März 2010, MNU Bundeskongress, Max-Planck-Institut, Düsseldorf<br />
  2. 2. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  3. 3. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  4. 4. Ab initio Einführung
  5. 5. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />www.mpie.de<br />
  6. 6. 2<br />
  7. 7. 3<br />Zeitaltertragen die Namen von Materialien<br />
  8. 8. 4<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen<br />Kadesch<br />1274 v.Chr.<br />Beginn der Eisenzeit:<br />Erstmals Hiebwaffen aus Eisen<br />Große Streitwagen<br />Erster belegter Friedensvertrag<br />Eisen als Schlüsseltechnologie<br />
  9. 9. 5<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite<br />1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid)<br />1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)<br />
  10. 10. 6<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl<br />
  11. 11. 7<br />
  12. 12. 8<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu<br />
  13. 13. 9<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo <br />
  14. 14. 10<br />Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele<br />Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika…..<br />www.mpie.de<br />
  15. 15. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  16. 16. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  17. 17. Ab initio Einführung
  18. 18. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />www.mpie.de<br />
  19. 19. 12<br />Ab initio Methoden für neue Werkstoffe<br /><ul><li>Bestmöglichematerialtheorie
  20. 20. Experimente auf atomarerebene
  21. 21. Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können
  22. 22. Kontinuumstheorie
  23. 23. EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)</li></ul>Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69<br />
  24. 24. 13<br />Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert<br />www.mpie.de<br />
  25. 25. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  26. 26. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  27. 27. Ab initio Einführung
  28. 28. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />www.mpie.de<br />
  29. 29. Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung<br />h/(2p)<br />Viele Teilchen<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)<br />
  30. 30. Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen<br />i Elektronen: Masse me; Ladung qe= -e; Koordinaten rei<br />j Kerne: Masse mn ; Ladung qn= ze; Koordinaten rnj<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)<br />
  31. 31. Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation<br />Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik<br />Elektronen<br />Atomkerne<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)<br />
  32. 32. Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie<br />Die Energie des Grundzustandes eines Vielkörpersystems ist eine eindeutige Funktion der Teilchendichte<br />Das Funktional E(n(r)) hat sein Minimum bezüglich einer Variation der<br />Teilchendichte bei der Gleichgewichtsdichte n0(r)<br />Chemistry Nobelprice 1998<br />Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864 <br />
  33. 33. 19<br />Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie<br />Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864 <br />
  34. 34. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  35. 35. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  36. 36. Ab initio Einführung
  37. 37. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />www.mpie.de<br />
  38. 38. 21<br />Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen<br />Mega-Themen für neue Werkstoffe<br />Energie<br />Wasser<br />Gesundheit<br />Mobilität<br />Information<br />Infrastruktur<br />
  39. 39. 22<br />20-25 GPa<br />115 GPa<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Spannungs-Abschattung (Stress shielding)<br />ElastischeFehlpassung: <br />Knochenauflösung, Abrasion, Entzündung<br />Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475<br />
  40. 40. 23<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Design-Aufgabe: HerabsetzungderelastischenSteifigkeit<br />Kubisch-raumzentrierteGitterstruktur: Ti-Nb, …<br />Bio-kompatibleElemente<br />Ti<br />Ti-Nb<br />M. Niinomi, Mater. Sci. Eng. 1998<br />Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475<br />
  41. 41. 24<br />NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur<br />Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S <br />U: Dichtefunktional-Theorie(DFT)<br />S: Konfigurationsentropie<br />Elastischer Tensor<br />Vielkristall-Steifigkeit (Homogenisierung)<br />ZweiPhasen<br />Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475<br />
  42. 42. 25<br />Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit<br />Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475<br />
  43. 43. 26<br /><ul><li>Ti: 115 GPa
  44. 44. Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)</li></ul>Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit<br />Raabe, Zhao, Park, Roters: Acta Mater. 50 (2002) 421<br />
  45. 45. 27<br />Kernaussage<br />Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt:<br />Die wissensbasierte Entwicklung elastisch weicher Titanlegierungen vermindert die Zahl der Operationen<br />www.mpie.de<br />
  46. 46. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  47. 47. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  48. 48. Ab initio Einführung
  49. 49. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)<br />
  50. 50. 29<br />Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften<br />
  51. 51. 30<br />Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen<br />Martensit-<br />bildung<br />1000<br />800<br />600<br />400<br />200<br />0<br />Zwillingsbildung<br />Stress s [MPa]<br />konventionell<br />0 20 40 60 80 100<br />Strain e [%]<br />www.mpie.de<br />
  52. 52. 31<br />Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen<br />Martensit-<br />bildung<br />1000<br />800<br />600<br />400<br />200<br />0<br />TRIP<br />Zwillingsbildung<br />Stress s [MPa]<br />TWIP<br />0 20 40 60 80 100<br />Strain e [%]<br />www.mpie.de<br />
  53. 53. 32<br />
  54. 54. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  55. 55. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  56. 56. Ab initio Einführung
  57. 57. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)<br />
  58. 58. 58Ni+2<br />56Fe+2<br />48Ti+2<br />55Mn+2<br />200 nm<br />60Ni+2<br />54Fe+2<br />initiated evaporation<br />by<br />or<br />24 26 28 <br />time of flight  mass / charge state<br /> Time of flight <br />spatial resolution <br />layer-by-layer<br />100 nm<br />– <br />high <br />voltage<br /> 10 kV<br />+<br />3D Atomsonde<br />LEAP (Local Electrode Atom Probe)<br />3D reconstructed <br />model of specimen<br />(100 Millions of atoms)<br />Raabe, Ohsaki, Hono: Acta Materialia 57 (2009) 5254<br />
  59. 59. Atomare Analyse und ab initio Modelle<br />Cu<br />Fe<br />100nm<br />35<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  60. 60. 36<br />Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR<br />Cu 2 wt.%<br />120 min<br />450°C aging<br />6000 min<br />Iso-concentration surfaces for <br />Cu 11 at.%<br />20 nm<br />20 nm<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  61. 61. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  62. 62. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  63. 63. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  64. 64. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  65. 65. 41<br />Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien<br />(attractive) = -0.245 eV / atom<br />Fe-Si steelwithCu nano-precipitates<br />
  66. 66. 42<br />Kernaussage<br />Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen<br />Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren <br />und Transformatoren können CO2 reduzieren<br />www.mpie.de<br />
  67. 67. Übersicht<br /><ul><li>Werkstoffwissenschaften
  68. 68. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
  69. 69. Ab initio Einführung
  70. 70. Beispiele</li></ul> Gesundheit: Titan<br /> Mobilität: Stahl<br /> Energie: Magnetwerkstoffe<br /> Multifunktional: Meeresfrüchte<br />Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)<br />
  71. 71. 44<br />Chitin<br />Exoskelet von mehrals 90% allerTiere auf der Welt<br />Adaptives Material  Kandidatfür Bio-inspirierteWerkstoffe<br />Raabe, Sachs, Romano: Acta Mater. 53 (2005) 4281<br />
  72. 72. 45<br />HierarchiederStruktur von Chitin-Verbundwerkstoffen<br />Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010) p. 519; Al-Sawalmih et al.: Adv. Funct. Mater. 18 (2008) p. 3307<br />Sachs, Fabritius, Raabe: Journal of Structural Biology 161 (2008) 120<br />
  73. 73. 46<br />Epicuticle<br />Exocuticle<br />Endocuticle<br />
  74. 74. 47<br />exocuticle<br />endocuticle<br />
  75. 75. 48<br />180° rotation of fiber planes<br />
  76. 76. 49<br />
  77. 77. 50<br />
  78. 78. 51<br />
  79. 79. 52<br />
  80. 80. 53<br />
  81. 81. 54<br />
  82. 82. 55<br />R3<br />R1<br />R4<br />R2<br />Beam stop<br />XRD, chitin<br />DESY (BW5), l=0.196 Å.<br />A. Al-Sawalmih at al. Advanced functional materials 18 (2008) 3307<br />
  83. 83.
  84. 84.
  85. 85.
  86. 86.
  87. 87.
  88. 88.
  89. 89.
  90. 90.
  91. 91.
  92. 92. 65<br />Ab initio Berechnung von α-Chitin<br />Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519<br />
  93. 93. 66<br />two conformations <br />of -chitin<br />Ab initio Berechnung von α-Chitin<br />108 atoms / 52 unknown H-positions<br />Hydrogen positions?<br />H-bonding pattern ?<br />R. Minke and J. Blackwell, J. Mol. Biol. 120, (1978)<br />
  94. 94. 67<br />Ab initio Berechnung von α-Chitin<br />CPU time<br />Accuracy<br />Resulting <br />structures<br /><ul><li>Empirical Potentials</li></ul>Geometry optimization<br /> Molecular Dynamics<br /> (universal force field)<br />Low<br />~103<br />~10 min<br /><ul><li>Tight Binding</li></ul>(SCC-DFTB)<br />Geometry optimization<br />(SPHIngX)<br />~500 min<br />Medium<br />~102<br /><ul><li>DFT </li></ul> (PWs, PBE-GGA) <br /> Geometry Optimization <br /> (SPHIngX)<br />~10000 min<br />High<br />~101<br />C, CNH<br />Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519<br />
  95. 95. 68<br />Ab initio Berechnung von α-Chitin<br />c<br />b<br />C, CNH<br />Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519<br />
  96. 96. 69<br />HierarchischeModellierung<br />Nikolov, Fabritius, Friak, Neugebauer, Raabe : Adv. Mater. 2009<br />
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