Um die Beziehungen zwischen Synthese, Chemie, Struktur, Eigenschaften und Leistung in strukturellen, nanoskaligen und funktionalen Materialien zu adressieren, integrieren wir experimentelle und rechnerische Studien mit allen Aspekten der Materialwissenschaft von der Entwicklung des grundlegenden Verständnisses bis zum Design, der Synthese und dem Testen neuer Materialien.

Insbesondere konzentriert sich unsere Forschung auf ein detailliertes Verständnis der Beziehungen zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften auf atomarer Ebene, kinetische Prozesse, Massentransportmechanismen, chemische Reaktionswege, Materialthermodynamik und Phasenübergänge. Wir verwenden eine Vielzahl von In-situ- und Ex-situ-Charakterisierungswerkzeugen wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit analytischen Techniken, Differential-Rasterkalorimetrie (DSC), Röntgenbeugung (XRD), Synchrotron-Röntgen-Tomographiemikroskopie im Submikronbereich (SXRTM) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM). Computergestützte Studien umfassen Dichtefunktionaltheorie (DFT), Molekulardynamik (MD), TEM-Bildsimulationen und Kontinuumsmechanik.

We need to go nano! Es wird unsere Welt verändern (und verändert sie bereits).

Nanostrukturierte Materialien sind ein- oder mehrphasig, mit charakteristischen Größen im Nanometerbereich (1-50 nm). Typischerweise unterscheidet man zwischen lamellaren, stäbchenförmigen und globularen Nanostrukturen (nanoskalige Ausdehnung in einer, zwei und drei Dimensionen).

Nanoskalige Materialsysteme besitzen - aufgrund ihrer deutlich unterschiedlichen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften - neue Phänomene, Strukturen und Prozesse.

Der Fortschritt in der Nanowissenschaft und -technologie hängt wesentlich von der systematischen Organisation, Manipulation und Charakterisierung von Nanostrukturen ab, wobei insbesondere Grenzflächen eine wesentliche Rolle spielen

Die grundlegende Untersuchung von Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen in Materialien und Schichten stellt ein zentrales Thema unserer Forschungsaktivitäten dar. Dies stellt nicht nur hohe Anforderungen an das Verständnis der in der Materialwissenschaft ablaufenden Prozesse, sondern erfordert auch den Einsatz modernster analytischer Methoden. So können beispielsweise Nanostrukturen mit einer charakteristischen Länge von wenigen nm mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie untersucht werden.

Eine nanoskalige Struktur ermöglicht die Kombination verschiedener Materialeigenschaften (z. B. hohe Festigkeit kombiniert mit hoher Zähigkeit). Herkömmliche Metalle und Beschichtungen sind durch Defekte (z.B. Versetzungen) in ihren Kristallen gekennzeichnet. Unter Belastung wandern diese "Versetzungen" und führen zu plastischer Verformung, die bei höheren Temperaturen noch stärker ausgeprägt ist (dies wird beim Schmieden von Eisen ausgenutzt). Nanostrukturen wirken dieser plastischen Verformung auf zwei Arten entgegen. Zum einen stellen die Grenzflächen der Nanokristalle ein Hindernis für die "Versetzungsbewegung" dar, zum anderen sind Kristalle mit einer Größe von nur wenigen Nanometern dafür zu klein.

Das Verständnis der bei der Belastung auftretenden Prozesse ermöglicht ein maßgeschneidertes Eigenschaftsdesign von Hartstoffschichten.

Solche nanostrukturierten Werkstoffe und Beschichtungen werden bereits als Werkzeuge (Fräser, Bohrer, Schneideinsätze, Wälzfräser) und Beschichtungen für die mechanische Bearbeitung mit hoher thermischer und mechanischer Belastung eingesetzt. Gleiches gilt für Bauteile in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, wie z. B. Kolbenringe, Ventile und Turbinenschaufeln. Aber auch in der Optoelektronik, wie bei Leuchtdioden (LEDs).

Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf das Design von nanostrukturierten Materialien und Beschichtungen für spezielle Anwendungen, bei denen multifunktionale Aufgaben vom Material und der Beschichtung übernommen werden.