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29. März 2010, MNU Bundeskongress, Max-Planck-Institut, Düsseldorf
Martin Friak, Franz Roters, Tilmann Hickel, Helge Fabritius, Stefan Zaefferer, Dierk Ponge, Pyuck Choi, Jörg Neugebauer
Dierk Raabe
Neue Werkstoffe durch Multiskalensimulation:
Von der Quantenmechanik zur KontinuumstheorieVon krummen Dolchen und
vergammelten Meeresfrüchten
Düsseldorf
Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
Multifunktional: Meeresfrüchte
Übersicht
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Zeitalter tragen die Namen von Materialien
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Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen
Beginn der Eisenzeit:Erstmals Hiebwaffen aus EisenGroße StreitwagenErster belegter Friedensvertrag
Kadesch1274 v.Chr.
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1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid)1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)
Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite
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Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl
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Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu
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Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo
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Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika…..
Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele
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Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
Multifunktional: Meeresfrüchte
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Ab initio Methoden für neue Werkstoffe
Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69
ELEKTRONISCHE REGELN FÜR NEUE WERKSTOFFE (ELEKTRONEN-LEGIEREN)
DATEN ERMITTELN, DIE ANDERS NICHT GEWONNEN WERDEN KÖNNEN
EXPERIMENTE AUF ATOMARER EBENE
BESTMÖGLICHE MATERIALTHEORIE
KONTINUUMSTHEORIE
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Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert
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Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
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Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung
h/(2p)
Viele Teilchen
Quadrat |y(r)|2 der Wellenfunktion y(r) bei r = (x,y,z) ist Maß für Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens
Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
i Elektronen: Masse me ; Ladung qe = -e ; Koordinaten rei j Kerne: Masse mn ; Ladung qn = ze ; Koordinaten rnj
Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen
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 derTeilchendichte bei der Gleichgewichtsdichte n0(r)
Chemistry Nobelprice 1998
Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
20Hohenberg Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie
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Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
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Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen
Infrastruktur
Mobilität
Gesundheit
Information
Wasser
MEGA-THEMEN FÜR NEUE WERKSTOFFE
Energie
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115 GPa
20-25 GPa
Spannungs-Abschattung (Stress shielding)Elastische Fehlpassung: Knochenauflösung, Abrasion, Entzündung
Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
Neue Biowerkstoffe: Titanimplantate mit kubischer Gitterstruktur
24Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
M. Niinomi, Mater. Sci. Eng. 1998
Bio-kompatible Elemente
Kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur: Ti-Nb, …
Design-Aufgabe: Herabsetzung der elastischen Steifigkeit
Neue Biowerkstoffe: Titanimplantate mit kubischer Gitterstruktur
Ti-Nb
Ti
25Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
Neue Biowerkstoffe: Titanimplantate mit kubischer Gitterstruktur
Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S U: Dichtefunktional-Theorie (DFT)S: KonfigurationsentropieElastischer TensorVielkristall-Steifigkeit (Homogenisierung)
Zwei Phasen
26Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit
27Raabe, Zhao, Park, Roters: Acta Mater. 50 (2002) 421
Ti: 115 GPa
Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)
Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit
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Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt:
Kernaussage
Die wissensbasierte Entwicklung elastisch weicher Titanlegierungen vermindert die Zahl der Operationen
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Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
Multifunktional: Meeresfrüchte
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Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
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Str
ess
s [M
Pa]
1000
800
600
400
200
0
0 20 40 60 80 100Strain e [%]
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Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen
Martensit-bildung
Zwillingsbildung
konventionell
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Str
ess
s [M
Pa]
1000
800
600
400
200
0
0 20 40 60 80 100Strain e [%]
TRIP
TWIP
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Martensit-bildung
Zwillingsbildung
Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen
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Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
Multifunktional: Meeresfrüchte
LEAP (Local Electrode Atom Probe)
3D reconstructed model of specimen
(100 Millions of atoms)
200 nm
initiated evaporationby or
Time of flight
spatial resolution
layer-by-layer
high voltage 10 kV
+ –
100 nm
48Ti+2
55Mn+2
54Fe+2
56Fe+2 58Ni+2
60Ni+2
24 26 28
time of flight mass / charge state
3D Atomsonde
Raabe, Ohsaki, Hono: Acta Materialia 57 (2009) 5254
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Cu
Fe
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
Atomare Analyse und ab initio Modelle
100 nm
37
Cu 2 wt.%
20 nm
120 min
20 nm
6000 minIso-concentration surfaces for Cu 11 at.%
Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
450°C aging
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
42Fe-Si steel with Cu nano-precipitates
(attractive) = -0.245 eV / atomE CuCubin
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien
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Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen
Kernaussage
Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren und Transformatoren können CO2 reduzieren
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Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
Werkstoffwissenschaften
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
BeispieleGesundheit: Titan
Mobilität: Stahl
Energie: Magnetwerkstoffe
Multifunktional: Meeresfrüchte
45Raabe, Sachs, Romano: Acta Mater. 53 (2005) 4281
Exoskelet von mehr als 90% aller Tiere auf der Welt
Adaptives Material Kandidat für Bio-inspirierte Werkstoffe
Chitin
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Hierarchie der Struktur von Chitin-Verbundwerkstoffen
Sachs, Fabritius, Raabe: Journal of Structural Biology 161 (2008) 120
Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010) p. 519; Al-Sawalmih et al.: Adv. Funct. Mater. 18 (2008) p. 3307
47
Exocuticle
Endocuticle
Epicuticle
48
exocuticleexocuticle
endocuticleendocuticle
49
180° rotation of fiber planes180° rotation of fiber planes
50
51
52
53
54
55
56
R1
R2
R3
R4
Beam stop
DESY (BW5), l=0.196 Å.
XRD, chitin
A. Al-Sawalmih at al. Advanced functional materials 18 (2008) 3307
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P218.96 35.64 19.50 90˚α-Chitin
Space groupUnit cell dimensions (Bohrradius)
a b c γPolymer
Carlstrom, D.
The crystal structure of α -chitin
J. Biochem Biophys. Cytol., 1957, 3, 669 - 683.
P218.96 35.64 19.50 90˚α-Chitin
Space groupUnit cell dimensions (Bohrradius)
a b c γPolymer
Carlstrom, D.
The crystal structure of α -chitin
J. Biochem Biophys. Cytol., 1957, 3, 669 - 683.
Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
Ab initio Berechnung von α-Chitin
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Hydrogen positions?H-bonding pattern ?
two conformations of -chitin
108 atoms / 52 unknown H-positions
R. Minke and J. Blackwell, J. Mol. Biol. 120, (1978)
Ab initio Berechnung von α-Chitin
68
CPU time Accuracy
•Empirical Potentials Geometry optimization Molecular Dynamics (universal force field)
~10 min
High
Low
~10000 min
~500 min Medium
Resulting structures
~103
~102
~101
•Tight Binding (SCC-DFTB)
Geometry optimization (SPHIngX)
•DFT (PWs, PBE-GGA) Geometry Optimization (SPHIngX)
Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
C, C N H
Ab initio Berechnung von α-Chitin
69
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02
Lattice elongation [%]
En
erg
y E
- E
0 [k
ca
l/mo
l]
a_Lattice
b_Lattice
c_Lattice
c
b
C, C N H
Nikolov et al. : Adv. Mater. 22 (2010), 519
Ab initio Berechnung von α-Chitin
70
Hierarchische Modellierung
Nikolov, Fabritius, Friak, Neugebauer, Raabe : Adv. Mater. 2009