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Nanostrukturierte Materialien – Prof. Horst Hahn

Nanostrukturierte Materialien – Prof. Horst Hahn
   

Materialien mit maßgeschneiderten und abstimmbaren Eigenschaften entwickelt der Geschäftsführende Direktor des Instituts für Nanotechnologie (INT) des KIT und Leiter des Gemeinschaftslabors Nanomaterialien der TU Darmstadt und des KIT. Zu seinen Forschungsschwerpunkten gehören Hochentropie-Oxide, die neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung eröffnen, sowie Nanogläser, clusterassemblierte Materialien und druckbare Elektronik.

Nanostrukturierte Materialien

Prof. Horst Hahn, INT, KIT
Prof. Horst Hahn, INT, KIT

„Ob Nanopartikel, dünne Filme oder nanoporöse Materialien – Strukturen im Nanometerbereich verleihen Stoffen optische, mechanische, elektrische oder magnetische Eigenschaften, die sie in größeren Dimensionen nicht besitzen“, erklärt Horst Hahn. Dies zeigen beispielsweise die Hochentropie-Oxide (HEO), zu denen Hahns Forschungsgruppe „Nanostructured Materials“ wegweisend arbeitet. HEO enthalten mindestens fünf verschiedene Metallkationen in gleicher Konzentration. Sie lassen sich aus Übergangsmetallen, Seltenerdmetallen oder einer Kombination herstellen – die Zahl der denkbaren Zusammensetzungen geht in die Millionen. Um HEO in ihrer ganzen Vielfalt erforschen zu können, nutzen die Wissenschaftler automatisierte Synthese und Charakterisierung und planen, Methoden der Künstlichen Intelligenz einzusetzen. HEO weisen eine einphasige Kristallstruktur auf, wobei die Elemente ungeordnet verteilt sind. Die damit verbundene hohe Entropie verleiht ihnen besondere Stabilität. „Hochentropie-Oxide lassen sich in ihren elektrochemischen Eigenschaften maßschneidern. Künftig können sie als Kathoden- und Anodenmaterialien die Speicherkapazität und die Zyklenfestigkeit von Batterien wesentlich verbessern“, sagt Hahn.

 

Ein weiteres Thema der Forschungsgruppe sind Nanogläser. Nanoskalig strukturierte amorphe Feststoffe aus metallischen Komponenten wurden am KIT weltweit erstmals hergestellt, sind allerdings Gegenstand der Grundlagenforschung. Sie entstehen in einem am INT entwickelten Verfahren. Zunächst werden rund zehn Nanometer kleine amorphe Partikel erzeugt; diese werden dann unter hohem Druck zusammengepresst. Dabei ergibt sich eine zweiphasige Struktur: Die Kerne der Nanopartikel weisen eine hohe, die Grenzflächen eine niedrige Dichte auf. „Anders als ein durch Abschrecken aus der Schmelze gefertigtes Glas mit der gleichen chemischen Zusammensetzung ist ein Nanoglas plastisch verformbar“, erläutert Horst Hahn. Mechanische und magnetische Eigenschaften lassen sich auf die jeweiligen Anforderungen abstimmen. Aus noch kleineren Partikeln – sie messen weniger als zwei Nanometer -, die elektrisch aufgeladen und auf eine Oberfläche beschleunigt werden, entstehen clusterassemblierte Materialien, wobei verschiedene Geschwindigkeiten zu unterschiedlichen Strukturen führen.

 

Nanostrukturierte Materialien ermöglichen auch, elektronische Schaltungen in hohen Stückzahlen zu günstigen Kosten herzustellen – einfach aus dem Drucker. Dazu eignen sich Standardverfahren wie Tintenstrahldruck. „Ein solcher Drucker kann jeden Tag andere Bauteile fertigen; diese Flexibilität hält die Investitionskosten niedrig“, sagt Hahn. Seine Forschungsgruppe setzt für die gedruckte Elektronik fast ausschließlich anorganische Nanopartikel ein. Zu den Vorteilen gehören die hohe theoretische Beweglichkeit der Ladungsträger sowie die Stabilität der Materialien gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit. Elektronische Schaltungen aus dem Drucker werden dadurch schneller und langlebiger.

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Der Presseservice des KIT stellt gern Kontakt zwischen Journalisten und Prof. Horst Hahn her.

Fotonachweis: Markus Breig
Foto Nasschemische Synthese: INT, KIT
Foto Prof. Horst Hahn: Markus Breig