Werkstoff nach Wunsch

Um die Eigenschaften von Werkstoffen noch besser an den Verwendungszweck anzupassen, arbeiten Forscher mit Simulationen auf der Ebene von Atomen

Dichter, poröser, hitzebeständiger, elastischer: an Werkstoffe werden immer wieder neue Anforderungen gestellt. Will man gezielt gewünschte Eigenschaften erreichen, muss geklärt werden, wie die Struktur und Zusammensetzung des Werkstoffs sein Verhalten bestimmen.

Mit einer Kombination verschiedener Simulationsmethoden ist es möglich, einen Werkstoff durchgängig von seinem atomaren Aufbau bis zu seinem Verhalten zu beschreiben. Mikrostrukturen im Material - z.B. Körnigkeit, Poren oder Risse - werden mit der Finite Elemente Methode (FEM) gut erklärt. Um die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung eines Materials zu untersuchen, müssen Wechselwirkungen zwischen Atomen analysiert werden. 

Atomare Ebene

Am genauesten geht das mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche die quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen Atomen beschreibt. In diesem Fall setzt aber die verfügbare Rechenzeit Grenzen. Einen möglichen Ausweg bieten weniger detaillierte molekulardynamische Modelle. Sie beschreiben vereinfacht die Bewegung der Atome in einem Kraftfeld, dem interatomaren Potenzial. Die quantenmechanischen Vorgänge im Material stecken dann in der Definition dieses Potenzials.

Die entscheidende Herausforderung für Materialwissenschaftler bei Siemens ist es, für jede Fragestellung das richtige Modell auszuwählen und die Modelle miteinander zu verzahnen - also zum Beispiel aus dem atomaren Modell heraus Eigenschaften für die Bausteine des FEM-Modells abzuleiten. In Zukunft werden atomare Modelle auch von Werkstoffexperten ohne detaillierte quantenmechanische Kenntnisse bedient werden können.