ERC Starting Grant “TRANSDESIGN”

Die erste technologische Nutzung von Ungleichgewichtsphasenübergängen in Metallen um Eigenschaften zu beeinflussen ist mit ~800 v. Chr. dokumentiert, jedoch bislang kaum verstanden. Nahezu alle Werkstoffklassen weisen diese Phasenübergänge im Ungleichgewicht auf. Zu verstehen, wie schnell diese Übergänge auftreten, ist eine Schlüsselfrage in der Werkstoffwissenschaft. In Metallen ist diese Kinetik über überschüssige Gitterleerstellen mit der Diffusion verbunden. Bislang gibt es jedoch kein universell fundiertes und vorhersagbares physikalisches Verständnis der Kinetik unter diesen Bedingungen, da die Modelle experimentell sehr schwierig verifiziert werden können. Eine in situ Messung der Ungleichgewichtskinetik und der entsprechenden Leerstellenentwicklung ist heute bei industriell relevanten und kontrollierten hohen thermischen Heiz-und Kühlraten nicht möglich. Auch die direkte mikroskopische Beobachtung von Leerstellen ist in der Vergangenheit in Metallen noch nicht gelungen.

Neue Strategien zur in situ Messung der Ungleichgewichtsphasenübergangskinetik und die mikroskopische Beobachtung der zugrunde liegenden Prozesse sind Hauptziele des Projekts TRANSDESIGN. Die experimentelle Verfolgung der kinetischen Entwicklung von Ungleichgewichtsleerstellen und ihrer Atomgitterbewegung in Metallen würde einen Durchbruch darstellen. Daher wird die Annihilation von Ungleichgewichtsleerstellen mittels ultraschneller Chipkalorimetrie, welche einzigartige Vorteile für das Verständnis der Nichtgleichgewichtsdiffusion bietet, beobachtet. Darüber hinaus soll die ultraschnelle in situ Messungen von Ungleichgewichtsphasenübergängen mittels Chip-Kalorimetrie als Standard in der thermischen Analyse für metallische Materialien von technologischer/ökonomischer Relevanz oder mit hohem Potenzial etabliert werden. Im Rahmen von TRANSDESIGN erfolgt zudem der Einsatz kontrastreicher Atome welche Leestellen binden als Marker für deren Identifizierung mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Diese einzigartige Strategie soll die Beobachtung von „Leerstellen bei der Arbeit” in Metallen ermöglichen.

Das Projekt zielt darauf ab, langjährige Lücken zwischen Theorie und Experiment zu schließen und einen wesentlichen Einfluss auf die Optimierung und das Design neuer kinetisch angetriebener Prozesse und Produkte im Bereich der Metallurgie auszuüben. Experimente mittels Chip-Kalorimetrie und zur atomaren Charakterisierung gekoppelt mit thermo-kinetischen und atomistischen Simulationen finden entsprechend Anwendung, um bestehende theoretische Modelle zu validieren und neue universelle Richtlinien zum Verständnis und zur Gestaltung der Phasenübergangskinetik in metallischen Ungleichgewichtssystemen zu schaffen. Die im Rahmen von dem Projekt TRANSDESIGN gewonnenen Grundlagen sollen universell sein, um wesentlich zur Weiterentwicklung der europäischen Kompetenz in der Materialwissenschaft beizutragen.