Um die komplexen Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Struktur, Defektchemie, Eigenschaften und Funktionalität moderner Materialien zu verstehen und gezielt zu steuern, entwickeln und nutzen wir rechnergestützte Methoden entlang der gesamten materialspezifischen Entwurfskette – vom atomaren Design über mesoskalige Phänomene bis hin zur makroskopischen Materialantwort.

Im Zentrum unserer Forschung steht das vertiefte Verständnis grundlegender Mechanismen wie elektronischer Struktur, Bindungseigenschaften, Phasenstabilität, Diffusion, Versetzungsbewegung und Reaktionskinetik. Wir kombinieren hierzu elektronische Strukturrechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) mit Molekulardynamik (MD), Monte-Carlo-Simulationen, Phasenfeldmodellen sowie Methoden der Kontinuumsmechanik. Ergänzt werden diese durch Machine-Learning-gestützte Ansätze zur schnellen Exploration komplexer Materialräume.

Diese integrative Modellierung erlaubt es uns, neuartige Werkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften systematisch zu entwerfen – insbesondere im Bereich funktionaler Schichtsysteme, Hochentropie-Materialien, Energiematerialien sowie oxidischer und nitridischer Diffusionsbarrieren. Dabei verstehen wir Computergestützte Materialforschung nicht als Ersatz, sondern als komplementäres Werkzeug zur gezielten Auswertung und Interpretation experimenteller Befunde und zur effizienten Ableitung vielversprechender Materialkombinationen.

We need to compute nano!

Das atomare Verständnis der unter Belastung ablaufenden Prozesse ist essenziell, um Hartstoffschichten mit gezielt einstellbaren mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften zu entwickeln. Mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT), Molekulardynamik (MD) und anderen atomistischen Simulationstechniken analysieren wir die elektronische Struktur, Defektmechanismen, Phasenstabilität, Versetzungsbewegung und Grenzflächenreaktionen mit höchster Auflösung.

Besonderes Augenmerk legen wir auf die Entwicklung und Optimierung von Supergittern, hochentropischen Hartstoffen und nanoskalig strukturierten Mehrphasenbeschichtungen. DFT-gestützte Vorhersagen zur Bindungsstärke, Gitterfehlanpassung und Energetik von Stapelfehlern ermöglichen ein rationales Design von Grenzflächenarchitekturen, die Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Temperaturstabilität gleichzeitig verbessern. Atomistische Bruchsimulationen und Versagensanalysen liefern zudem Einblicke in lokale Mechanismen wie Sprödbruch, Scherbandinitiation oder intergranulare Schwächung.

Diese Schichtsysteme finden Anwendung in hochbelasteten Umgebungen – z. B. in Zerspanungswerkzeugen, Triebwerkskomponenten, oder mikroelektronischen Bauteilen – und bieten gleichzeitig ein hohes Potenzial für neue Einsatzfelder mit zusätzlichen funktionalen Anforderungen, etwa in Wasserstoffumgebungen oder als Teil aktiver Schichtverbünde.

Zukünftige Forschungsarbeiten zielen auf die Kombination von DFT, maschinellem Lernen und experimentellen Hochdurchsatzmethoden zur beschleunigten Identifikation und Validierung neuartiger Materialkombinationen – mit dem Ziel, Hartstoffe als multifunktionale, strukturell stabile und prozessspezifisch anpassbare Systeme zu gestalten.