CENIDE: Forschungsschwerpunkte

Dynamische Prozesse in Festkörpern

Fsp Dynamische-prozesse-in-festkörpern KlDie Dynamik elementarer Anregungen in Festkörpern, an Oberflächen oder in Nanopartikeln oder -strukturen wird in CENIDE mit höchster Zeitauflösung untersucht. Strukturelle Anregungen, Phasenübergänge, transientes Aufheizen und Abkühlen werden mit Elektronen- bzw. Röntgenbeugung mit Zeitauflösung von wenigen 100 Femtosekunden verfolgt. Die noch schnellere Dynamik des Elektronensystems wird mittels Photoelektronenemissionsspektroskopie bzw. -mikroskopie mit einer Zeitauflösung von nur noch 10-20 Femtosekunden untersucht. Mit Hilfe dieser Methoden werden zahlreiche neue Erkenntnisse über Mechanismen auf der Nanoskala gewonnen.

Gasphasensynthese

Fsp Gasphasensynthese KlDie Synthese von Nanopartikeln in der Gasphase ermöglicht die Herstellung von ultrareinen maßgeschneiderten Materialien in skalierbaren Verfahren. CENIDE untersucht Gasphasenprozesse umfassend – ausgehend von der mechanistischen Betrachtung der Gasphasenchemie, die Interkation von Partikeln mit Molekülen und Partikeln mit Partikeln. Die Grundlage hierzu bilden Experimente in aufwändig instrumentierten Stoßwellen- und Strömungsreaktoren. Detaillierte Mechanismen werden erstellt, reduziert und mit numerischen Strömungssimulationen gekoppelt, um den Erkenntnisgewinn der Experimente zu erhöhen, Prozesse zu optimieren und Anlagen zu skalieren. Flammen-, Plasma- und Rohrreaktoren vom Labor- bis zum Pilotmaßstab werden eingesetzt, um metallische, halbmetallische und oxidische Materialen in einem großen Eigenschaftsspektrum herzustellen. Umfangreiche Messungen in den Systemen dienen zur Weiterentwicklung und Validierung der Simulationskonzepte.

Magnetismus

Fsp Magnetismus KlIm Bereich des Magnetismus stehen bei CENIDE die Herstellung und die hochspezifische Charakterisierung neuer Materialien und Hybriden von mikroskopischen bis zu makroskopischen Längenskalen sowie die ab-initio-Modellierung im Fokus. Sowohl ultradünne metallische und oxidische Filme, Nanopartikel als auch molekulare Nanomagnete spielen als Bausteine für moderne Hybridsysteme eine wichtige Rolle. Bei der Charakterisierung ist die Analyse der hochaufgelösten spinpolarisierten elektronischen Struktur, der Spinstruktur und Spintextur, des spinabhängigen Transports und der Spindynamik bis hin zu Ultrakurzzeitphänomenen entscheidend. Die Verzahnung von Grundlagenforschung und Materialforschung mit hohem Anwendungspotential (Hartmagnete, Magnetosensorik, Magnetokalorik, innovative Spin-Elektronik, -Kaloritronik und -Logik) liefert die Basis für die enge Zusammenarbeit der universitären Gruppen mit der Industrie beispielsweise im Rahmen von EU-geförderten Projekten.

NanoBioMaterialien

Fsp Nanobiomaterialien KlBiomaterialien sind natürliche oder künstliche Substanzen in Kontakt mit biologischen Systemen. In CENIDE wird diese Interaktion an Materialien, Oberflächen, Partikeln und Makromolekülen untersucht. Der Forschungsschwerpunkt profitiert von den Expertisen in den Material- und Biowissenschaften (Kolloide, Makromoleküle, Proteine, Imaging) und den chemisch bzw. physikalisch ausgerichteten Wissenschaften (Synthese, Magnetismus, Photonik), beispielsweise im spannenden Gebiet der NanoBioPhotonik. Besondere Expertise besteht im Bereich der skalierbaren Synthese anorganischer, biofunktionalisierter, kolloidaler Nanopartikel, sowie deren Stabilisierung zum Einsatz in biologischer Umgebung. Auch die Kombination von Akteuren aus zahlreichen sowohl grundlagenorientierten als auch industriebegleiteten Verbundprojekten im Bereich der Risikoforschung (Nanosafety, Nano-Bio-Response) ist einzigartig. Proteininteraktionen werden interdisziplinär und kohärent mittels supramolekularer Werkzeuge, als auch mit Nanopartikeln untersucht. Nutzbringend ist die Verfügbarkeit einer umfangreichen Palette an Charakterisierungsmethoden, einerseits das volle Spektrum der modernen instrumentellen Nanopartikel-Kolloidanalytik (AUZ, DLS, NTA, ADC, AFFF), kombiniert mit dem Festkörper-Nanoanalytikzentrum ICAN.

NanoEnergieTechnik

Fsp Nanoenergietechnik KlIm Bereich der NanoEnergieTechnik befasst sich CENIDE mit der Frage, wie Nanomaterialien vorteilhaft für die Energietechnik, insbesondere im Bereich der Energieumwandlung und Energiespeicherung, ausgenutzt werden können. Dafür steht das hochmoderne Forschungsgebäude NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) mit rund 4.000 m2 Fläche zur Verfügung, in dem zentrale Arbeiten erfolgen. Basis hierfür ist eine Anlage zur Gasphasensynthese von Nanomaterialien im anwendungsrelevanten Maßstab. Spezielle räumliche Strukturen wie „Linked Facilities“ und ein hervorragend ausgestattetes Mikroskopiezentrum erlauben es, intelligente Synthese­ und Verarbeitungswege für verschiedene funktionelle Nanostrukturen zu entwickeln. Dafür wird die gesamte Prozesskette von der Synthese der Nanomaterialien über deren Anbindung an makroskopische Strukturen bis hin zu Demonstratoren und Bauteilen abgedeckt. Von der mechanistischen Seite werden vor allem elektronischer, ionischer und Wärmetransport sowie Prinzipien der Ladungstrennung und des Ladungstransfers untersucht. Dabei werden sowohl experimentelle Methoden als auch theoretische Simulationen angewendet. Wesentliche Anwendungsgebiete sind Thermoelektrik, Katalyse, Photovoltaik, Lithium-Ionen-Batterien und Lichtemitter (LEDs).