Interdisziplinäre Forschungsschwerpunkte am MPIE

Interdisziplinäre Forschungsschwerpunkte am MPIE

Neben unserer Forschung in den einzelnen Fachbereichen, widmen wir uns auch interdisziplinären Schwerpunktthemen.

Innovative Materialien sind Schlüsselfaktoren des technologischen Fortschritts. Sie haben ganzen Zeitaltern ihren Namen verliehen. In vielen Bereichen, wie zum Beispiel der Energie und Nachhaltigkeit, dem Bauwesen, der Gesundheit, der Kommunikation und Infrastruktur, der Sicherheit und dem Transport ist nach wie vor die Nachfrage nach funktionalen Materialien besonders hoch. Bis zum Jahr 2050 werden für viele Materialklassen Produktionswachstumsraten um bis zu 200 % prognostiziert. Ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen Synthese und Verarbeitung einerseits und der Mikrostruktur und den Eigenschaften von Materialien andrerseits, ist daher unabdingbar. Auch die Entwicklung neuer Werkstoffe, die sowohl den komplizierten Anforderungen neuer Technologien entsprechen als auch rauen Umgebungsbedingungen standhalten können, wird zunehmend wichtiger. mehr
Die Entwicklung neuer Materialien, Mikrostrukturen und Herstellungsverfahren basierte Jahrtausende lang auf Trial und Error. Das durch zufällige Entdeckungen, systematische Experimente und den Transfer aus benachbarten wissenschaftlichen Disziplinen erworbene Wissen brachte viele empirische Regeln und später prädiktive Theorien hervor. In Kombination mit Computersimulationen sind sie heute zu einem Rückgrat der Materialwissenschaft geworden, die es ermöglichen fortgeschrittene Materialien und Prozesse auf der Grundlage eines detaillierten Verständnisses zu entdecken und zu verbessern. Dieser klassische Ansatz des "intelligenten Designs" wird gegenwärtig durch den zunehmenden Einsatz moderner statistischer Analysen und künstlicher Intelligenz, die auf große Datensätze angewandt werden, in Frage gestellt und teilweise aufgelöst.

In der Tat führt nicht nur die Automatisierung der Materialproduktion und -prüfung, sondern auch die rasche Entwicklung der Charakterisierung und der Materialsimulation zu einer drastischen Zunahme des Umfangs der von unseren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gesammelten relevanten Informationen. Doch anders als die Drachen in den alten Sagen, die sich damit zufrieden gaben, die von ihnen gesammelten Schätze zu bewachen, wollen wir diesen Schatz mit Hilfe von Datenanalyse und künstlicher Intelligenz in wissenschaftlichen Fortschritt verwandeln. mehr
Der Verlust von Material und Systemausfälle durch Oxidation haben starke wirtschaftliche Auswirkungen und sind ein wesentlicher Faktor der Infrastrukturkosten weltweit. Phänomene wie Korrosion und Wasserstoffversprödung schränken die Langlebigkeit und Integrität von Metallprodukten stark ein, sodass allein dadurch jährlich etwa 3,4 % des globalen Bruttoinlandsprodukts (2,5 Milliarden Euro) zerstört werden. Um die Nachhaltigkeit in den Industrieländern zu fördern, ist es daher wichtig, die Korrosionsbeständigkeit und damit die Lebensdauer und Sicherheit von Produkten weiterzuentwickeln. mehr
Der Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und den spezifischen Eigenschaften von Materialien ist der Schlüssel für die Gestaltung optimierter - oft multifunktionaler - Werkstoffe. Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Härte, Duktilität und Wärmeleitfähigkeit, lassen sich genauso wie thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und magnetische Eigenschaften durch Beeinflussung der Mikrostruktur verändern und optimieren. Diese Mikrostruktur ist bei high-end Materialien im Gegensatz zu perfekten Einkristallen komplex. Beispiele für solche Mikrostrukturelemente sind stabile oder metastabile Phasen, deren Ausrichtung durch Synthese und anschließende thermo-mechanische Behandlung manipuliert werden kann. Auch Stapelfehler, Grenzflächen und Defekte können beeinflusst und so zur Entwicklung maßgeschneiderter Werkstoffe genutzt werden. mehr
Die Entwicklung neuartiger Materialien und Verfahren unter Berücksichtigung von Upscaling, Sicherheit und Nachhaltigkeit erfordert methodisch modernste und oft langfristig angelegte Forschungsprojekte. So entstehen neue Tools für Experimente, Analysen, Verarbeitung, Simulationen und maschinelles Lernen. mehr
Die Gestaltung unserer Zukunft im Hinblick auf nachhaltige Technologien sowie neuartige Materialien und industrielle Prozesse ist eines der wichtigsten Themen unserer Zeit. Dafür brauchen wir wissenschaftliche und technische Antworten. Wie können wir den Einsatz von Kohlenstoff als Energie- und Reduktionsträger im gesamten Bereich der Materialwissenschaft und -technik vermeiden? Wie können wir bessere Magnete für Elektrofahrzeuge herstellen, die auf seltene Erden verzichten? Wie können wir nachhaltige Legierungen entwickeln und die Recyclingraten verbessern? Welche neuartigen Materialien können der Versprödung durch Wasserstoff standhalten? Wie groß ist das Potenzial neuer Materialien für Thermoelektrik und Solarzellen für die Erzeugung von grünem Strom? mehr
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