Spielen mit Grenzflächen – Batterien, druckbare Elektronik und schaltbare Magnete

Die große Vielfalt von Defekten in Materialien stellt das Handwerkszeug für Materialforscher zur Einstellung und Optimierung von strukturellen und funktionellen Eigenschaften dar. Defektfreie Materialien sind in der modernen technologischen Anwendung bis auf wenige Ausnahmen, wie zum Beispiel einkristallines Silizium, praktisch nicht vertreten. Äußere Grenzflächen, zum Beispiel Oberflächen, und innere Grenzflächen, wie Korngrenzen, stellen eine besondere Gruppe von zweidimensionalen Defekten dar. Durch den gezielten Einsatz von Grenzflächen können mechanische, elektrische, magnetische, katalytische, und viele andere Eigenschaften sehr stark beeinflusst werden. So steigt zum Beispiel in polykristallinen Metallen die Festigkeit mit kleiner werdender Korngröße, also zunehmendem Volumenanteil an Korngrenzen, stark an, bei magnetischen Materialien variiert die Koerzitivfeldstärke in komplizierter Weise als Funktion der Korngröße und katalytisch inaktives Gold wird katalytisch aktiv, wenn die Katalysatorteilchen eine bestimmte Größe unterschreiten. Zusätzlich müssen zahlreiche weitere Faktoren, wie beispielsweise die Zusammensetzung und die kristallographischen Orientierungen, berücksichtigt werden. Materialwissenschaftler nutzen diese Spielwiese mit Grenzflächen, um gewünschte Eigenschaften einzustellen. In den vergangenen Jahrzehnten wurde mehr und mehr ausgenutzt, dass sich bei extremer Verkleinerung der Strukturgrößen in Materialien bis in den Nanometer-Bereich und der zunehmenden Dominanz der Grenzflächen die Strukturen und Eigenschaften nochmals drastisch beeinflussen lassen. Neben diesen strukturellen Grenzflächen werden zunehmend geladene Grenzflächen, zum Beispiel zwischen einem funktionellen Material und einem Elektrolyten, betrachtet. Dies führt zu Materialeigenschaften, die durch kleine elektrische Potentiale teilweise massiv und in reversibler Weise verändert werden können.

Im Vortrag werden die grundlegenden Aspekte des Spielens mit Grenzflächen erläutert und im Anschluss das Potential beispielhaft für die wichtigen Anwendungsfelder Batterien, druckbare Elektronik und schaltbare Magnete im Zusammenhang mit der Rolle der Grenzflächen vorgestellt.