Werkstoffmodelle vom Atom zum Verbundwerkstoff
Polymerwerkstoffe, zu denen die allgegenwärtigen Kunststoffe gehören, waren der Grundstein für nahezu unendlich viele Produkte und Komponenten, von Unterhaltungselektronik bis hin zu Weltrauminstrumentierung. Die Kombination von Kunststoffen mit Nanotechnologie, mit Nanopartikel(NP)-gefüllten Polymerverbundwerkstoffen könnte den Bereich revolutionieren. Ein detaillierteres Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehung und die Kontrolle der NP-Dispersion in der Polymermatrix sind wesentlich. Es gibt Hinweise darauf, dass NP die Viskosität für eine kostengünstige Version des Spritzgießverfahrens verringern kann. NP besitzen auch interessante thermische, mechanische, elektrische und magnetische Eigenschaften, die zu innovativen neuen Produkten führen können, unter der Voraussetzung, dass die Partikel-Matrix-Wechselwirkungen kontrolliert werden können. Wissenschaftler haben das EU-finanzierte Projekt "Multi-scale modeling of nano-structured polymeric materials: From chemistry to materials performance" (NANOMODEL) initiiert, um die notwendigen Modellierungs-Tools zu liefern. Der Erfolg des Projekts ist das Ergebnis der fruchtbaren Zusammenarbeit zu mehrskaligen Modellierungsschichten sowie eines Feedback-Zyklus des Experimentierens und der Modellvalidierung. Wissenschaftler synthetisierten industriell relevante Polymere mit eingebetteten Nanopartikeln mit modifizierten Oberflächen und charakterisierten diese. Daten wurden in diese Modelle eingebeben und kommerzielle Software mit den entsprechenden methodischen Entwicklungen modifiziert. Ein Vergleich der experimentellen Charakterisierung der Werkstoffe mit dem Output aus dem Modell demonstrierte den Erfolg der eingesetzten Simulationsmethoden zur Beschreibung des Verhaltens von Nanoverbundwerkstoffen. Darüber hinaus sollte das entwickelte Kopplungsschema der Molekulardynamischen Finite-Elemente-Methode (FEM MD) ein wichtiges Instrument zur rationalen Werkstoffentwicklung sein.