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Materialien
Wir untersuchen die Eigenschaften von metallischen und oxidischen Schmelzen, kolloidalen Suspensionen, Gelen und granularen Materialien sowie ihre Erstarrung auf allen Längenskalen mit theoretischen und experimentellen Methoden. Dabei reichen die untersuchten Materialien von vergleichsweise einfachen ein- und zweikomponentigen Modellsystemen hin zu komplexen, mehrkomponentigen, technologisch und geologisch relevanten Systemen. Neben der Suche nach Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beschäftigen wir uns auch mit der Entwicklung von Aerogelen, die sich durch ihr geringes Gewicht und ihre extrem guten wärmeisolierenden Eigenschaften auszeichnen.
Atomare Dynamik und Struktur
Auf kleinen Zeit- und Längenskalen kontrollieren Prozesse auf mikroskopischer Ebene den Materietransport und die Strukturbildung bei der Erstarrung. Die atomare Dynamik und Struktur untersuchen wir an nationalen und internationalen Neutronen- und Röntgenstrahlungsquellen. Für Messungen an chemisch reaktiven oder unterkühlten Schmelzen kommen dabei unsere mobilen Levitationsapparaturen zum Einsatz. Ziel unserer Forschung ist es, die atomare Dynamik und Struktur von Schmelzen besser zu verstehen und deren Zusammenhang mit den Schmelzeigenschaften und der Phasenselektion bei der Erstarrung herzustellen. Darüberhinaus bieten unsere Experimente die Möglichkeit, atomistische Simulationsmethoden zu testen und weiterzuentwickeln.
Theorie und Simulation
Bei der Erstarrung von Flüssigkeiten tritt ein komplexes Wechselspiel von Struktur, Dynamik und Phasenverhalten auf. Für ein mikroskopisches Verständnis dieses Wechselspiels können Computersimulationsmethoden auf der atomistischen Skala einen wichtigen Beitrag leisten. Wir verwenden solche Methoden, um Transportvorgänge in unterkühlten Schmelzen, Keimbildungsphänomene und spinodale Entmischung, Grenzflächeneigenschaften sowie die Wachstumskinetik von kristallinen Phasen aus der Schmelze zu untersuchen. Solche Simulationen liefern zum Experiment komplementäre Informationen und erlauben den detaillierten Test mikroskopischer Theorien. Darüberhinaus ermöglichen sie eine Verifizierung von Kontinuumsmethoden wie der Phasenfeldmodellierung.
Thermophysikalische Parameter
Schmelzeigenschaften wie Dichte, Viskosität, Diffusionskoeffizienten, spezifische Wärme, elektrische Leitfähigkeit sowie Grenz- und Oberflächenspannungen sind wichtige Grössen in der Materialherstellung, z.B. in der Kristallzucht oder in der Giesserei. Wir untersuchen thermophysikalische Eigenschaften von Metallen, Oxiden und Halbleitern sowohl in stabilen als auch in unterkühlten Schmelzen. Mit behälterfreien Verfahren wie der elektromagnetischen und elektrostatischen Levitation haben wir Zugang zu sehr hohen Temperaturen sowie chemisch reaktiven Schmelzen und erreichen Unterkühlungen von mehreren hundert Kelvin unter den Schmelzpunkt. Experimente unter Schwerelosigkeit erlauben hier präzise Referenzmessungen.
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Nicht-Gleichgewichtserstarrung
Die Kristallisation einer Schmelze wird durch thermisch aktivierte Keimbildung eingeleitet. Schaltet man durch behälterfreie Verfahren wie die elektromagnetische oder elektrostatische Levitation die heterogene Keimbildung an Tiegelwänden vollständig aus, so unterkühlen Schmelzen tief unter ihren Schmelzpunkt. Eine unterkühlte Schmelze besitzt eine erhöhte freie Energie, die das System zur Bildung metastabiler Festkörper nutzen kann. Wir untersuchen die physikalischen Vorgänge der dabei ablaufenden Nicht-Gleichgewichtsprozesse in der Keimbildung und im Wachstum. Die Beschränkungen in der Anwendung der Levitationstechnik auf der Erde durch die starken Haltekräfte zur Kompensation der Schwerkraft umgehen wir, in dem die elektromagnetische Levitation auch in reduzierter Schwerkraft für analoge Experimente genutzt wird.
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Gleichgewichtserstarrung
Die physikalischen Eigenschaften eines aus der Schmelze erstarrten Materials werden bestimmt durch seine chemische Zusammensetzung, seine atomare Struktur und seine Mikrostruktur. In vielen Produktionsvorgängen erfolgt die Erstarrung gerichtet in einem positiven Temperaturgradienten, z. B. bei der Kristallzucht. Wir wenden neuartige Aerogelöfen an, um die Erstarrung nahe dem Gleichgewicht zu untersuchen. Aerogele sind transparent, kaum wärmeleitend und besitzen schlechtes Benetzungsverhalten, alles ideale Eigenschaften um die Dynamik und Morphologie der fest-flüssig Grenzfläche bei der gerichteten Erstarrung weitgehend unbeeinflusst durch den Ofentiegel direkt zu beobachten.
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µG Experimente
Unter reduzierter Schwerkraft (Mikrogravitation) können schwerkraftgetriebene Phänomene in Flüssigkeiten und Suspensionen wie Konvektion, Sedimentation und Auftrieb weitestgehend ausgeschaltet werden. Dadurch gelingt es, Transport- und Erstarrungsvorgänge unter rein diffusiven Bedingungen zu untersuchen bzw. Strömungen gezielt einzustellen. Desweiteren ermöglichen µg-Experimente die präzise Messung thermophysikalischer Eigenschaften, insbesondere in Kombination mit berührungsfreien Messmethoden. Wir führen unsere µg-Experimente im Parabelflugzeug, in Höhenforschungsraketen, in Satelliten und demnächst auch auf der Internationalen Raumstation (ISS) durch und engagieren uns bei der Entwicklung von Messmethoden für den Einsatz im Weltraum.
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