Computersimulationen für die Materialentwicklung

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1 Physikalische Chemie, Fachbereich Chemie, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Computersimulationen für die Materialentwicklung Thomas Heine

2 Theorie und Praxis

3 Längen- und Zeitskalen

4 Wie stabil sind Nanomaterialien? I. Kaplan-Ashiri, S. R. Cohen, K. Gartsman, R. Rosentsveig, V. Ivanovskaya, T. Heine, G. Seifert, H. D. Wagner, and R. Tenne, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103 (2006),

5 Nanotubes als Baumaterialien Golden Gate bridge, San Francisco, steel cables Golden Gate-Brücke, San Francisco, nach der Ausstattung mit Nanotube-Seilen

6 Stabilität von Materialien (Festkörper, Nanotubes) Griffith-Theorie (1921): Die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind durch dessen Defekte bestimmt Nanotubes sind quasi defektfrei. Wir können bessere mechanische Eigenschaften erwarten Es kann die fast-ideale Struktur sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht werden. WS 2 /MoS 2 Nanotubes sind aufgrund ihrer Struktur besonders interessant, da sie eine sehr hohe axiale Stabilität aufweisen.

7 Experiment: Zerreissen einer WS 2 -Nanotube Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 523. WS 2 tube zwischen 2 Spitzen von Rasterkraftmikroskopen (AFM). Aufnahme des Experiments durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM).

8 Direkte quantentheoretische Simulation des Experiments Harmonisches (Hooke-artiges) Verhalten bis zur Zerstörung des Materials!

9 Direkte quantentheoretische Simulation des Experiments Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 523.

10 Direkte quantentheoretische Simulation des Experiments Simulationen von verwandten einwandigen MoS 2 Nanotubes unterschiedlicher Chiralität ( Wanne (22,0) und Sessel (14,14)).

11 Wie elastisch sind WS 2 /MoS 2 Nanotubes? Spannungs (stress) - Dehnungs (strain)-verhalten einer einzelnen WS 2 Nanotube. Das lineare Verhalten weist auf eine elastische Defomation der Struktur bis zum Bruch hin.

12 Elektromechanische Schalter auf Grundlage von Kohlenstoff-Nanotubes Simuliertes Zerreissen von Kohlenstoff-Nanoröhren bei verschiedenen Temperaturen Zigzag 600K Armchair 600K Zigzag 1000K Armchair 1000K V. Ivanovskaya, N. Ranjan, T. Heine, G. Merino, G. Seifert, Small 1 (2005)

13 Electromechanische Eigenschaften von CNTs zigzag armchair Die elektronische Transmissionswahrscheinlichkeit T(E) hängt start von der Deformation L/L ab! V. Ivanovskaya, N. Ranjan, T. Heine, G. Merino, G. Seifert, Small 1 (2005)

14 Komposit Mo 0.9 Nb 0.1 S 2 -Nanotubes Teststrukturen für Mo 0.9 Nb 0.1 S 2 Komposit-Nanotubes in Sessel (n,n) und Wannenform (n,0). 10% der Mo-Atome wurden durch Nb substituiert.mo-atome sind hellgrau, Nb schwarz und S dunkelgrau dargestellt. V. V. Ivanovskaya, T. Heine, S. Gemming and G. Seifert, phys. stat. sol. (b) 243 (2006),

15 Komposit-MoNbS 2 Nanotubes Die Verzerrungsenergie (E strain, ev/atom) von reinen und gemischten Tubes in Sessel- (n,n) ( - MoS 2, - NbS 2, (, ) - Mo 0.9 Nb 0.1 S 2,models I-II) und Wannen (n,0) ( - MoS 2, - NbS 2, (,, ) - Mo 0.9 Nb 0.1 S 2, models III-V) als Funktion des mittleren Röhrendurchmessers D (Å). V. V. Ivanovskaya, T. Heine, S. Gemming and G. Seifert, phys. stat. sol. (b) 243 (2006),

16 Elektronische Zustandsdiche (DOS) von Nbdotierten MoS 2 Nanotubes V. V. Ivanovskaya, T. Heine, S. Gemming and G. Seifert, phys. stat. sol. (b) 243 (2006), Berechnete Zustandsdichte (DOS) der Mo 0.9 Nb 0.1 S 2 Nanotube (20,20, Sesselform, Modell I): durchgezogene Linien - gesamte DOS; gestrichelte Linien - anteilige Nb DOS. Die Energie is relativ zur Fermienergie (E F = 0) angegeben.

17 Radiale Deformation von Nanotubes Eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT) zwischen zwei Molybdenplatten. Modell: Fixierte Positionen der Mo- Atome, nur van-der-waals- Wechselwirkungen mit der CNT. Simulation: Nanostruktur: DFTB (QM), Molybdenplatten: UFF (MM) Nan: DFTB (QM) Milen St. Stefanov Dobrev, Andrey Enyashin, G. Seifert, T. Heine, to be published

18 Elastische Eigenschaften radial deformierter CNTs (5,5) CNT 300K 600K D c, Å p c, GPa k, ev/å 2 (x10-3 ) K

19 Einfluss auf die elektronische Struktur der CNTs

20 Warum sind MoS 2 Nanoonions gute Schmierstoffe?

21 Das Rollerblade-Modell MoS 2 (14,14) Nanotube zwischen Mo-Platten

22 Theorie vs. Experiment: Modellgröße? (21,21) MoS 2 Nanotube zwischen Mo-Platten

23 Radiale Stabilität von MoS 2 vs BN vs C-Nanotubes tube CNT (5,5) CNT (9,0) BN-NT(5,5) BN-NT(9,0) MoS 2 -NT(14,14) MoS 2 -NT(21,21) k (mev/å²)

24 Verbessertes Modell: Multi-walled Nanotubes? Doppelwandige MoS 2 Nanotube (14,14) in (21,21) zwischen Mo- Platten

25 Wieso sind MoS 2 Nanostrukturen gute Schmierstoffe? Sie brechen bei radialem Druck auf Die experimentellen Reibungskoeffizienten der Nanostrukturen und von festen MoS 2 Plättchen sind identisch Ist das Rollerblade-Modell sinnvoll?

26 Bananenschalen-Effekt!

27 Zusammenfassung Der direkte Vergleich von Experimenten mit quantentheoretischen Simulationen ermöglicht eine neue Qualität der Forschung Verständnis von Phänomenen Vorhersagen Vorschläge von interessanten Strukturen Optimierung von Strukturen und Prozessen Simulationen können die Kosten für Materialentwicklungen signifikant reduzieren Schnelle Ergebnisse Signifikant geringere Kosten für Material und Apparaturen umweltneutral

28 Entwicklung der Computertechnologie Cray-1 Mac Mini Core duo introduction price weight floating point performance power consumption ,86 Mio US$ ~5.5 tons ~250 Mflops peak 115 kw 2006 ~800 US$ 1.31 kg ~ 6 Gflops ~100 W

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