Koordinatorin:

Heike Emmerich

Lehrstuhl für Material- und Prozesssimulation
Universität Bayreuth

Universitätsstraße 30
95440 Bayreuth

Initiatorinnen und Initiatoren:

Kurt Binder, Universität Mainz
Dieter Herlach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Köln und Ruhr-Universität Bochum
Paul Leiderer, Universität Konstanz
Hartmut Löwen, Universität Düsseldorf
Britta Nestler, Fachhochschule Karlsruhe
Thomas Palberg, Universität Mainz
Rainer Schmid-Fetzer, Technische Universität Clausthal

Gegenstand der Forschung:

Ziel dieses Schwerpunktprogramms ist die grundlegende Erforschung der Mechanismen, die der heterogenen Keimbildung zugrunde liegen, sowie der anschließenden Entwicklung des Keimes in eine konkrete heterogene Mikrostruktur. Insbesondere soll durch ein system- und methodenübergreifendes wissenschaftliches Vorgehen ein Beitrag geleistet werden, um zu einem detaillierten skalenübergreifenden Verständnis dieser Mechanismen zu gelangen, das sukzessive systemunabhängig auf unterschiedliche Stoffklassen anwendbar sein soll.

Zunächst soll dies an den einfachsten denkbaren Modellsystemen für heterogene kristalline Ordnung, an reinen Metallen, binären Metalllegierungen und an Kolloiden, geschehen. Deren flüssige Phase als Ausgangspunkt der Kristallkeimbildung soll durch Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften und von Ordnungsphänomenen charakterisiert werden. Aufgerufen zur Antragstellung waren Wissenschaftler aus den Material- und Werkstoffwissenschaften, der Physik, der physikalischen Chemie und der angewandten Mathematik.

Konkret soll innerhalb des Schwerpunktprogramms insbesondere folgenden Fragestellungen nachgegangen werden:

  • Heterogene Nukleation: Wie sieht ein kritischer Nukleationskeim aus? Hat das klassische Konzept des Kontaktwinkels bei der heterogenen Nukleation Sinn? Stehen Aussagen zu dominierenden Beiträgen zur Keimbildungsbarriere für die heterogene Nukleation, wie sie durch Molekularsimulationen gewonnen werden können, im Einklang mit Aussagen, die durch die Phasenfeldmethode möglich sind? Wie ist der Zusammenhang zwischen Wechselwirkungspotenzialen und relevanten Grenzflächenenergien?
  • Übergang Keim-Mikrostruktur: Wie entwickelt sich - im Wechselspiel zwischen Kristallisation und Entmischung - je nach Bezugspunkt im Phasendiagramm eine konkrete Mikrostruktur aus dem Nukleationskeim? Wie stabil sind diese Szenarien gegenüber Verschiebungen des Bezugspunktes im Phasendiagramm? Wie gut lassen sich diese Szenarien durch binäre kolloidale Modellsysteme reproduzieren?
  • Mikrostrukturentwicklung: Welche Konsequenzen ergeben sich aus dem neuen Verständnis der Nukleation für die anfängliche Entwicklung der Mikrostruktur? Welchen kinetischen Gesetzmäßigkeiten folgt das anfängliche Wachstum der erstarrenden Mikrostruktur? Lassen sich allgemeingültige Bedingungen identifizieren, unter denen mehrere mikroskopische Morphologien gleicher Legierungszusammensetzung kinetisch stabil sind?

Gefördert werden daher bevorzugt solche Projekte, die von Beginn an ein kooperatives Vorgehen im Sinne eines system- und skalenübergreifenden "Handshake" zwischen komplementären Methoden (Theorie, Experiment, molekulare Simulation, Phasenfeldmodellierung) in den Vordergrund stellen.

Die Präparation sowie die Chemie der kolloidalen Modellsysteme soll dabei nicht im Vordergrund stehen. Nicht gefördert werden Anträge, die die folgenden Themen aufgreifen:

  1. Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungen oder Nukleation in der festen Phase,
  2. reine flüssig-flüssig-Entmischungen,
  3. Strukturbildung unter dem Einfluss äußerer Felder (Scherströmung, elektromagnetische Felder, etc.),
  4. kristallographische Aspekte von Gefüge und Aufbau realer Kristalle sowie
  5. alleinige Untersuchungen der Mikrostrukturentwicklung ohne Berücksichtigung des Zusammenhangs mit der Keimbildung.

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