Materialverarbeitung

Dispergierung, Funktionalisierung und Prozessierung nanostrukturierter Materialien

Dispergierung, Funktionalisierung und Prozessierung nanostrukturierter Materialien

Dispergierung, Funktionalisierung und Prozessierung nanostrukturierter Materialien

Dispergierung, Funktionalisierung und Prozessierung nanostrukturierter Materialien

GEGENSTAND UNSERER FORSCHUNG
Verarbeitung von Nanomaterialien zu funktionalen Schichten, Membranen und Bauteilen

ZIEL
Wir schließen die Lücke zwischen Nanomaterial und Demonstrator, indem wir Dispersion, Funktionalisierung und Prozessierung so gestalten, dass sich anwendungsreife Schichten, Membranen und Bauteile herstellen lassen.

HIGHLIGHTS

Integrierte Prozessketten von der Partikelsynthese bis zur Beschichtung in direkt verbundenen Laboren („Linked Facilities“).
Breites Methodenspektrum für die Formulierung und Dispergierung von Nanopartikeln in maßgeschneiderten Flüssigkeiten und Polymeren.
Skalierbare Beschichtungs- und Formgebungsverfahren vom Labor- bis zum Technikumsmaßstab (u. a. Druck-, Sprüh- und Rakelprozesse).
Kombination von Laser-, Plasma- und thermischen Verfahren zur gezielten Einstellung von Schichtmorphologie und Materialeigenschaften.

DISPERGIERUNG – VON NANOPARTIKELN ZUR STABILEN DISPERSION
Nanopartikel werden nur selten direkt nach der Synthese zu Festkörpern verarbeitet. In der Regel überführen wir sie zunächst in Flüssigkeiten und erzeugen stabile kolloidale Dispersionen. Solche Systeme sind leichter zu handhaben, verhindern Aggregation und bilden die Grundlage für reproduzierbare, skalierbare Prozessschritte.

Durch langjährige Erfahrung können wir Lösungsmittel, Stabilisatoren und Partikeloberflächen gezielt aufeinander abstimmen. So entstehen Tinten, Pasten oder Slurries mit definierten Fließ- und Trocknungseigenschaften, die sich für sehr unterschiedliche Anwendungen eignen – von porösen Elektroden über Katalysatorschichten bis hin zu Funktionsmembranen.

Ein zentrales Thema ist die direkte Überführung von Partikeln aus der Gasphasensynthese in Flüssigphasen. Die dafür entwickelten Konzepte erlauben es, die Vorteile der kontinuierlichen Partikelherstellung mit den Anforderungen einer industriellen Formulierung und Weiterverarbeitung zu verbinden.

FUNKTIONALISIERUNG – OBERFLÄCHEN GESTALTEN, EIGENSCHAFTEN STEUERN
Die Funktionalisierung ist der Schlüssel, um Nanopartikel prozessierbar zu machen und ihre Eigenschaften zu definieren. Durch organische Liganden, Polymere oder anorganische Hüllen passen wir die Oberfläche an das jeweilige Prozessmedium und die Zielanwendung an.

Dadurch lassen sich zum Beispiel Benetzbarkeit, Ladung, Dispergierbarkeit oder Bindung an eine Matrix gezielt einstellen. Kern-Schale-Konzepte ermöglichen es, mehrere Funktionen zu kombinieren – etwa katalytische Aktivität im Kern und Stabilität oder Selektivität in der Hülle.

Gleichzeitig beeinflusst die Funktionalisierung die spätere Mikrostruktur des Materials: Über Polymerketten, Vernetzungsreaktionen oder spezifische Bindungsstellen können wir die Ausbildung von Porosität, Leitpfaden oder mechanischer Stabilität steuern. Damit entscheidet dieser Schritt maßgeblich darüber, wie gut ein Material in die nachfolgenden Prozessschritte integrierbar ist und welche Performance im Bauteil erreichbar wird.

PROZESSIERUNG – VON DER DISPERSION ZUR FUNKTIONALEN SCHICHT

Für die Weiterverarbeitung stehen im NETZ zahlreiche Verfahren zur Verfügung, mit denen Pulver, Dispersionen, Komposit- und Hybridmaterialien in funktionale Schichten oder Volumenkörper überführt werden. Dazu zählen unter anderem:

- Drucktechniken (z. B. Inkjet-, Sieb- oder Tiefdruck).

- Sprüh- und Beschichtungsverfahren.

- Rakel- und Gießprozesse für großflächige Schichten.

- Press- und Sinterprozesse für verdichtete Bauteile.

- Plasma- und Laserverfahren zur nachträglichen Strukturierung und Modifikation von Oberflächen.

Über diese Prozessschritte können wir Schichtdicke, Porosität, Nano- und Mesostruktur sowie Grenzflächen gezielt beeinflussen. Im Zusammenspiel mit analytischen Methoden und Modellierung lassen sich Prozessparameter und Materialdesign so aufeinander abstimmen, dass die gewünschten elektrischen, optischen, katalytischen oder mechanischen Eigenschaften erreicht werden.

MATERIALVERARBEITUNG IN LINKED FACILITIES
Die Prozesskette der Materialverarbeitung spiegelt sich direkt in der NETZ-Gebäudestruktur wider: Synthese, Dispergierung, Funktionalisierung und Prozessierung sind in „Linked Facilities“ räumlich so angeordnet, dass Proben ohne Unterbrechung und bei Bedarf unter Schutzatmosphäre durch alle Schritte geführt werden können. Dadurch bleiben empfindliche Nanomaterialien vom ersten Wachstumsschritt bis zur fertigen Schicht oder zum Bauteil unter optimalen Bedingungen und die gesamte Kette kann systematisch untersucht und optimiert werden.

Beteiligte Arbeitsgruppen

Prof. Mathias Ulbricht

Arbeitsgruppe Technische Chemie – Membranen und Trennprozesse: Entwicklung und funktionale Modifikation polymerer Membranen sowie hybrider Membranmaterialien für Wasseraufbereitung, Stofftrennung und (photo-)katalytische Anwendungen – von der Polymersynthese über das Gießen und Beschichten bis hin zu Langzeit-Stabilitätsstudien.

Prof. Doris Segets

Lehrstuhl Particle Science and Technology: Dispergierung, Stabilisierung und Formulierung von Nanopartikeln in Slurries und Tinten, skalierbare Prozessierung (z.B. Beschichtung, Drucken) für Elektroden, Funktionsschichten und andere energietechnische Komponenten inklusive in-line-Prozessanalytik und datengetriebener Prozessoptimierung.

apl. Prof. Hartmut Wiggers

Arbeitsgruppe Reaktive Fluide / Nanoparticles: Gasphasensynthese von Nanopartikeln und deren Weiterverarbeitung zu Pulvern, Pasten und Schichten; Kopplung von Spray-Flame-Synthesis mit nachgelagerten Prozessschritten wie Dispergierung, Slurry-Herstellung und Elektrodenbeschichtung für Batterien und andere Energiespeicher.

Prof. Stephan Barcikowski

Technische Chemie I – Laserbasierte Nanopartikel und Hybridmaterialien: Laserbasierte Herstellung von Nanopartikeln in Flüssigkeiten und deren Integration in Tinten, Pasten und Beschichtungen; Entwicklung von Prozessketten zur Einbettung dieser Partikel in Polymere, Metalle und Keramiken für energiebezogene Anwendungen.

Prof. Roland Schmechel

Nanostrukturtechnik – Druckbare Funktionsmaterialien: Verarbeitung nanostrukturierter Materialien zu dünnen Schichten und Bauteilen mittels druckbarer Verfahren (z.B. Lösungsspincoating, Drucktechniken); Erarbeitung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für organische, anorganische und hybride Funktionsmaterialien.

Prof. Corina Andronescu

Elektrochemische Katalyse und funktionale Elektroden: Entwicklung und Herstellung (elektro-)katalytisch aktiver Schichten und Elektroden – von Tintenformulierung und Beschichtung über Sinter- und Nachbehandlungsprozesse bis hin zur Integration in elektrochemische Zellen (z.B. für CO₂-Reduktion, Elektrolyse).

Prof. Gabi Schierning

Applied Quantum Materials / Thermoelektrische Dünnschichten (Prof. Gabi Schierning): Abscheidung, Strukturierung und Nachbehandlung thermoelektrischer und anderer funktionaler Dünnschichten; Untersuchung, wie Prozessparameter die Mikrostruktur und damit Transport- und Energieumwandlungseigenschaften bestimmen.

Prof. Matthias Epple

Anorganische Chemie – Nanopartikel und Hybridmaterialien: Synthese, Funktionalisierung und Einbettung anorganischer Nanopartikel in Polymer-, Keramik- und Metallmatrizen; Entwicklung von Kompositen und Beschichtungen mit maßgeschneiderten mechanischen, optischen oder (bio)funktionalen Eigenschaften.

Dr. Nicolas Wöhrl

Plasmabasierte Beschichtungsprozesse: Plasma-unterstützte Abscheidung und Strukturierung dünner Kohlenstoff- und Oxidschichten sowie die Kontrolle von Morphologie, Defektstruktur und Funktionalität durch Prozessführung.