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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3

4

Zeitalter tragen die Namen von Materialien

5

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen

Beginn der Eisenzeit:Erstmals Hiebwaffen aus EisenGroße StreitwagenErster belegter Friedensvertrag

Kadesch1274 v.Chr.

6

1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid)1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite

7

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl

8

9

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu

10

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo

11

Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika…..

Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele

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Übersicht

Werkstoffwissenschaften

Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

Ab initio Einführung

BeispieleGesundheit: Titan

Mobilität: Stahl

Energie: Magnetwerkstoffe

Multifunktional: Meeresfrüchte

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13

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

14

Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert

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Übersicht

Werkstoffwissenschaften

Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

Ab initio Einführung

BeispieleGesundheit: Titan

Mobilität: Stahl

Energie: Magnetwerkstoffe

Multifunktional: Meeresfrüchte

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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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Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung

Ab initio Einführung

BeispieleGesundheit: Titan

Mobilität: Stahl

Energie: Magnetwerkstoffe

Multifunktional: Meeresfrüchte

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22

Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen

Infrastruktur

Mobilität

Gesundheit

Information

Wasser

MEGA-THEMEN FÜR NEUE WERKSTOFFE

Energie

23

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

28

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

30

Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften

31

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

32

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

33

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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

36

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

43

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

46

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

66

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

67

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