This is a little introduction into the world of Materials Science

1. 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

3. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

4. Ab initio Einführung

5. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de

6. 2

7. 3 Zeitaltertragen die Namen von Materialien

8. 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

9. 5 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite 1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid) 1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)

10. 6 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl

11. 7

12. 8 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu

13. 9 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo

14. 10 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika….. www.mpie.de

16. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

17. Ab initio Einführung

18. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de

20. Experimente auf atomarerebene

21. Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können

22. Kontinuumstheorie

23. EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69

24. 13 Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert www.mpie.de

26. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

27. Ab initio Einführung

28. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de

29. Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung h/(2p) Viele Teilchen Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)

30. 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)

31. Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik Elektronen Atomkerne Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)

32. 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

33. 19 Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864

35. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

36. Ab initio Einführung

37. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de

38. 21 Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen Mega-Themen für neue Werkstoffe Energie Wasser Gesundheit Mobilität Information Infrastruktur

39. 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

40. 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

41. 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

42. 25 Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475

44. 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

45. 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

47. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

48. Ab initio Einführung

49. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)

50. 29 Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften

51. 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

52. 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

53. 32

55. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

56. Ab initio Einführung

57. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)

58. 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

59. Atomare Analyse und ab initio Modelle Cu Fe 100nm 35 Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

60. 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

61. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

62. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

63. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

64. Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

65. 41 Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien (attractive) = -0.245 eV / atom Fe-Si steelwithCu nano-precipitates

66. 42 Kernaussage Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren und Transformatoren können CO2 reduzieren www.mpie.de

68. Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

69. Ab initio Einführung

70. Beispiele Gesundheit: Titan Mobilität: Stahl Energie: Magnetwerkstoffe Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)

71. 44 Chitin Exoskelet von mehrals 90% allerTiere auf der Welt Adaptives Material  Kandidatfür Bio-inspirierteWerkstoffe Raabe, Sachs, Romano: Acta Mater. 53 (2005) 4281

72. 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

73. 46 Epicuticle Exocuticle Endocuticle

74. 47 exocuticle endocuticle

75. 48 180° rotation of fiber planes

76. 49

77. 50

78. 51

79. 52

80. 53

81. 54

82. 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

92. 65 Ab initio Berechnung von α-Chitin Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519

93. 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)

95. 68 Ab initio Berechnung von α-Chitin c b C, CNH Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519

96. 69 HierarchischeModellierung Nikolov, Fabritius, Friak, Neugebauer, Raabe : Adv. Mater. 2009