Oberflächen auf atomarer Ebene verstehen

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Alfred Ludwig wird Sprecher des neuen Sonderforschungsbereichs in der Materialwissenschaft. © RUB, Marquard

„Komplexe Mischkristalle – kurz CCSS für Compositionally complex solid solutions –, die fünf oder mehr metallische Elemente in einer einfachen Kristallstruktur enthalten, bieten konzeptionell einzigartige, vielversprechende Perspektiven in wissenschaftlichen und technologischen Bereichen, in denen die Oberfläche die Eigenschaften bestimmt“, erklärt Professor Alfred Ludwig. Der SFB will CCSS als Materialdesignplattformen nutzen. Dazu wollen die Forschenden ein kombiniertes theoretisches und experimentelles Verständnis der CCSS auf atomarer Ebene gewinnen, da die besonderen Eigenschaften der CCSS auf der hohen Anzahl verschiedener polyelementarer aktiver Zentren auf der Oberfläche beruhen.

Im Fokus stehen die spezifischen Anordnungen der unterschiedlichen Atome in der Oberfläche der Materialien. Ihre statistische Verteilung bestimmt die Oberflächenzusammensetzung, und ihre Kenntnis ist für das Design von Zusammensetzung-Struktur-Aktivitäts-Beziehungen unerlässlich. Die Mitglieder des SFB wollen diese Anordnungen verstehen und kontrollieren – ihre Bildung, ihre Variation für verschiedene Systeme und Zusammensetzungen, ihre Veränderungen aufgrund experimenteller Bedingungen –, um sie für das Design ihrer Eigenschaften systematisch gezielt zu verändern.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

„Unser primäres Ziel ist nicht die direkte Entwicklung neuer Katalysatoren, sondern die Gewinnung grundlegender Erkenntnisse und die Erforschung neuer Möglichkeiten, die sich durch das Oberflächendesign von CCSS ergeben“, betont Alfred Ludwig. Im ersten Schritt will das Team Edelmetallschichten untersuchen, da ihre Oxidationsbeständigkeit die Identifizierung von Atomanordnungen erleichtert. Detaillierte Einblicke in die Abhängigkeit der Reaktionsmechanismen von den Atomanordnungen und das Verständnis der Oberflächenmetallurgie sollen dann das Design multifunktionaler und nachhaltiger Elektrokatalysatoren ermöglichen.

Das interdisziplinäre Team aus Material-, Oberflächen-, Datenwissenschaft, Physik und Chemie wird die Herausforderungen unter Verwendung von Hochdurchsatzmethoden in der atomistischen Simulation, der Synthese, der Charakterisierung, der elektrochemischen Untersuchung und mit tiefgehenden, atomarskaligen Experimenten angehen. Da Atomanordnungen elektrochemische Reaktionen auf der Ebene einzelner Atome bestimmen, werden sie über Theorie und Experimente auf dieser Ebene untersucht. „Diese atomistische Sichtweise muss aber mit dem hochdimensionalen Raum der Zusammensetzungen und Eigenschaften kombiniert werden“, so Alfred Ludwig. „Mittels Materialinformatik werden wir alle Daten über Skalen und Forschungsbereiche integrieren, daten-gesteuerte Arbeitsabläufe etablieren, Wissen aus Daten extrahieren und in Wissensgraphen organisieren.“ Am SFB beteiligt sind Forschende der Ruhr-Universität Bochum, des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universität München und der Universität Kopenhagen, Dänemark.

Quelle: Ruhr-Universität Bochum