Vor mehr als 100 Jahren erfanden Wissenschaftler die Mobile Kamera, um an jedem Ort zu fotografieren. Vor mehr als 30 Jahren erfanden Ingenieurwissenschaftler das Mobilfunkgerät, um an jedem Ort zu telefonieren. Jetzt ist es an der Zeit einen Mobilen Materialdetektor zu erfinden, um MAteRIaliEn sowohl von beliebigen Oberflächen als auch im Inneren eines Objektes an jedem Ort zu bestimmen. All diese bahnbrechenden Erfindungen beruhen auf technologischen Fortschritten, die es ermöglichen von elektronischen Komponenten über integrierte Schaltungen hin zu einem vollständigen System zu gelangen. Im Vergleich zu heute verfügbaren voluminösen und statischen Materialdetektoren ermöglicht ein Mobiler Materialdetektor zahlreiche neue Anwendungen: zur autonomen Ortung von Brandherden oder von bewusstlosen Personen in verrauchten, brennenden Gebäuden, zur zuverlässigen Detektion von Kabeln und Gegenständen innerhalb von Wänden, oder, allgemeiner, zur systematischen Erstellung von Materialkarten, um beispielsweise Gegenstände in beliebigen Umgebungen zu finden und zu klassifizieren. MARIE’s gewählte untere Messfrequenz entspricht mit 250 GHz dem aktuellen Stand der Forschung für kompakte mobile Sender und Empfänger; die angestrebte obere Messfrequenz beträgt 5 THz, um eine Vielfalt von Materialien aufgrund ihrer spezifischen Absorptionslinien identifizieren zu können.MARIE hat vier Forschungsziele: 1. die dynamische Wellenausbreitung in einem fast unerschlossenen Frequenzbereich zu messen, zu analysieren und zu modellieren, 2. den Funksender und empfänger über diesen Frequenzbereich zur mobilen Materialdetektion zu miniaturisieren, 3. Oberflächenmaterialien und auch innere Materialien dynamisch zu charakterisieren, und 4. solche Materialien mit einer sub-Millimeter-Genauigkeit präzise zu orten.MARIE gliedert sich in drei Phasen mit einer Dauer von jeweils 4 Jahren: in Static Lab (2017-2020), die bald erfolgreich endet, stehen technologische Fortschritte im Fokus, während die Messfrequenz sich in der statischen Laborumgebung bis zu 4 THz erstreckt. Der mit diesem Fortsetzungsantrag zu erforschende Mobile Sensor (2021-2024) hat Energieeffizienz zum zentralen Inhalt, um Mobilität in dem erweiterten Frequenzbereich bis 5 THz zu ermöglichen. Dynamic Environment (2025-2028) umfasst alle verbleibenden Herausforderungen, insbesondere durch Fusion mit anderen Sensorprinzipien, um schlussendlich die Vision des Mobilen Materialdetektors umzusetzen.

Die zentrale Motivation des CRC/TRR 270 ist es, ein tiefgehendes Verständnis der Hysterese in Volumenmagneten zu erlangen. Ziel ist die Entdeckung neuer dauermagnetischer und magnetokalorischer Materialien, die effizienter und ressourcenschonender als die bisherigen sind und nahe an ihrem physikalischen Limit eingesetzt werden können. Dazu entwickeln wir innovative Konzepte der Materialmanipulation und lassen empirische Entwicklung von magnetischen Materialien hinter uns, indem wir basierend auf einem umfassenden Verständnis der strukturellen, magnetischen und elektronischen Wechselwirkungen auf nano-, mikro- und makroskopischer Ebene prädiktive Designkonzepte etablieren. Ausgangspunkt für unseren kooperativen, interfakultativen Forschungsansatz ist die trotz signifikanter Fortschritte in der Forschung herrschende Diskrepanz zwischen intrinsischen und extrinsischen Eigenschaften, die noch kein vollständiges Verständnis der Hysterese zulässt. Magnetmaterialien sind Schlüsselkomponenten in Energietechnologien mit starkem Wachstumspotenzial wie z.B. Windkraft, E-Mobilität und magnetische Kühlung, wobei ressourcenschonende Magnetmaterialien im Fokus stehen. Innovationen über die kommenden Jahrzehnte benötigen innovative Syntheserouten und die Entwicklung von Materialdesignregeln für verbesserte Nano- und Mikrostrukturen durch Defekt-Engineering und unkonventionelle magnetische Härtungs- und Texturierungstechniken. Unser Ansatz verbindet „bottom-up“ Techniken, die auf spezifisch entwickelten Nano- und Mikropartikeln für die Additive Fertigung (AF) beruhen, und „top-down“ Prozessen wie der hochgradig plastischen Umformung. Der Projektbereich A (Permanentmagnete – maximierte Hysterese) fokussiert sich auf die Kontrolle der Phasenentmischungsreaktionen in Legierungssystemen, um Anisotropie und Magnetisierung auf der Nanoskala zu kontrollieren. Neue Materialien mit maßgeschneiderter Hysterese und spezifischer Streufeldverteilung werden durch AF und hochgradig plastische Umformprozesse hergestellt, um Effizienz auf der Materialebene und auch im Formgebungsprozess zu erreichen. Im Projektbereich B (magnetokalorische Materialien – minimierte Hysterese) werden neue Konzepte von gekoppelten magnetostrukturellen Phasenübergängen in magnetokalorischen Materialien erforscht. Insbesondere für neue Heusler-Verbindungen, MAX-Phasen, und „Compositionally Complex Magnetocalorics“ (von den „High-Entropy Alloys“ abgeleitete Verbindungen) erwarten wir ungewöhnliche Funktionalitäten. Auf lange Sicht wollen wir eine hierarchische Strukturierung von magnetokalorischen und permanentmagnetischen Materialien mit mikroskopischer Präzision durch den Einsatz innovativer AF erreichen. Die Projektleiter sind international ausgewiesen in den Bereichen Materialwissenschaft, Physik, Chemie, und Ingenieurwissenschaften und bilden ein Konsortium mit hervorragender Balance zwischen Theorie und Experiment.

Ziel des Projektes ist es, die heterogene Oxidationskatalyse an Übergangmetalloxiden in der Flüssigphase auf ein Wissensniveau zu heben, wie es für die Gasphasenkatalyse an Metallen etabliert ist. Hierzu sollen die aktiven Zentren und die Reaktionsmechanismen ermittelt werden. Das Arbeitsprogramm des SFBs basiert auf drei Hypothesen: (1) Die Voraussetzungen für einen hochaktiven Oxidationskatalysator (Vorläufer-Strukturmotive für die aktiven Zentren) können über experimentelle Struktur-Aktivitätsbeziehungen ermittelt werden, bei denen Strukturmotive jenseits der idealen Kristallstruktur im Zentrum stehen. (2) Durch Kombination von theoretischen Berechnungen und experimentellen in situ- und operando Methoden kann die Veränderung dieser Zentren unter Reaktionsbedingungen analysiert und so die arbeitenden aktiven Zentren identifiziert werden. (3) Der systematische Vergleich eines Katalysators in verschiedenen Oxidationsreaktionen mit hierarchischer Komplexität in thermischer, Elektro- und Photokatalyse erlaubt es, aus den vielfältigen Möglichkeiten die relevanten Elementarschritte zu schlussfolgern und damit schließlich in Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie den Reaktionsmechanismus zu ermitteln. Zentrales Element der Zusammenarbeit im SFB ist eine Vergleichsstudie, deren Ziel es ist, diese Hypothesen zu verifizieren. Die Materialbasis für diese Vergleichsstudie bilden Eisen-Kobalt-Mischoxide vom Spinell- und Perowskit-Typ. Diese prototypischen Übergangsmetalloxidkatalystoren sind aktiv in den Reaktionen der Vergleichsstudie, nämlich der Oxidation von Alkoholen, gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen sowie der Redoxchemie von Sauerstoff. Die erste Förderperiode widmet sich der Etablierung von Realstruktur-Aktivitätsbeziehungen und der Modellierung von möglichen aktiven Zentren. In der zweiten Förderperiode werden die theoretischen und experimentellen Ergebnisse zu einer umfassenden Beschreibung der aktiven Zentren und des Reaktionsmechanismus‘ konvergiert. Zusätzlich werden die erhaltenen Ergebnisse auf weitere Materialien und Reaktionen generalisiert. In der dritten Förderperiode soll das erarbeitete Wissen für ein rationales Design von neuen Katalysatoren angewendet werden, die innovative, neue Prozesse in der Flüssigphasenoxidation ermöglichen.

Durch ultraschnelle externe Stimuli wie Licht, Druck, elektrische Spannung oder Partikel lassen sich in kondensierter Materie Nichtgleichgewichtszustände hervorrufen. Der Sonderforschungsbereich „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne" verfolgt das Ziel, ein materialübergreifendes, mikroskopisches Verständnis solcher Nichtgleichgewichtszustände zu erarbeiten. Dazu werden neuartige Methoden der experimentellen und theoretischen Physik entwickelt, um den Prozess vom Moment des Stimulus bis zu einem Zustand nahe am Gleichgewicht in Zeit und Raum zu beschreiben.

Ziel des SFB 1411 ist die Entwicklung neuer Methoden zur Gestaltung nanopartikulärer Produkte, also Partikelsystemen mit kontrollierter Größe, Form und Zusammensetzung. Dieses Ziel wird durch einen zweistufigen Ansatz erreicht. Zunächst werden prädiktive Modelle zur Beschreibung von Struktur-Eigenschafts-Funktionen erstellt. Eine gewünschte Zieleigenschaft des Partikelsystems wird durch mathematische Optimierung dieser Funktion erreicht. Im zweiten Schritt werden Modelle für Prozess-Struktur-Funktionen aufgestellt. Deren Optimierung führt zu idealen Prozessbedingungen zur Herstellung von Partikelsystemen mit der gewünschten Struktur. Diese Vision wird in vier eng verbundenen Forschungsbereichen entwickelt, die sich auf die Partikelbildung (RA A), deren chromatographischer Trennung (RA B), die umfassende Charakterisierung (RA C) sowie die Modellierung und Optimierung (RA D) konzentrieren. In der ersten Förderperiode wurden wichtige Fortschritte auf dem Weg zur gezielten Herstellung von isotropen Partikeln, zur Größenausschlusschromatographie und zur Strukturoptimierung von Partikelanordnungen in dünnen Filmen erzielt. Mit der Etablierung von innovativen Methoden, weiter verbesserter Infrastruktur und noch verstärkter interdisziplinärer Zusammenarbeit in der zweiten Förderperiode wird der Ansatz entscheidend weiterentwickelt. Die kontinuierliche Partikelherstellung wird auf anisotrope Systeme übertragen, die Synthese mit der Affinitätschromatographie direkt gekoppelt, wobei noch leistungsstärkere, wechselwirkungsbasierte Trennverfahren untersucht werden. Darüber hinaus wird die Rolle von Verteilungen und nicht-idealen Anordnungen bei der Strukturbildung als ein zentrales neues Motiv in der zweiten Förderperiode etabliert. Dazu wird ein grundlegendes Verständnis der Selbstorganisation partikulärer Bausteine, sowie der Beeinflussung funktionaler Eigenschaften (optische Effekte, chromatographische Trennschärfe) durch intelligente Strukturierung erarbeitet. Diese Kenntnisse ermöglichen es auch die die Rolle von Defekten zu verstehen und robuste Prozesse mit optimierter Leistung zu entwickeln. Die erstklassische Forschungsinfrastruktur an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der Universität Duisburg-Essen und dem Helmholtz-Institut für Erneuerbare Energien bietet die ideale Plattform für den SFB 1411. Mit einem breiten Netzwerk von internationalen Partnern und einer Reihe von internationalen Konferenzen und Workshops ist der SFB 1411 als sichtbares Forschungszentrum für Partikeltechnik fest etabliert. Mit dem interdisziplinären Graduiertenkolleg, einer zukunftsweisenden Dateninfrastruktur, einem kohärenten Maßnahmenpaket zur Förderung von Gleichstellung und Diversität und einem Projekt zur Wissenschaftskommunikation gestaltet der SFB 1411 aktiv das nationale und internationale Forschungsfeld sowie das Profil der FAU und der beteiligten Institute.