SCIENTIFIC HIGHLIGHTS
Revolutionäre Entwicklung im Bereich der Batterietechnologie durch innovative Schwefelkathoden
Innovative Forschung hat uns mit einem Durchbruch bei Schwefelkathoden einer nachhaltigen Batterietechnologie einen Schritt näher gebracht. Lithium-Ionen-Batterien, die in der Elektronik und in Elektrofahrzeugen eine zentrale Rolle spielen, sind traditionell auf knappe Materialien wie Kobalt angewiesen. Schwefel bietet eine umweltfreundlichere Alternative, da es reichlich vorhanden ist und eine beeindruckende theoretische Kapazität von 1675 mAh g-1 aufweist. Ein großes Problem bei der Verwendung von Schwefel ist der "Schwefel-Shuttle-Effekt", bei dem die Mobilität des Schwefels zu einer schnellen Degradation der Batterie führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt jedoch eine neue Lösung auf: die Verkapselung von Schwefel in einem mikroporösen Polymernetzwerk auf Iminbasis direkt auf dem Stromabnehmer. Dieser Eintopfsyntheseansatz rationalisiert nicht nur die Produktion, sondern erhöht auch die Batterieleistung erheblich. Dieses innovative Kathodendesign ermöglicht einen selektiven Elektrolyt- und Li-Ionen-Transport, während es den Schwefel robust einschließt und eine hohe Leistung über alle Entladungsraten - von 1360 mAh g-1 bei 0,1 C bis 807 mAh g-1 bei 3 C - liefert. Weiterführende Analysen mit DFT-Berechnungen und Operando-Raman-Spektroskopie haben gezeigt, dass die Imin-Gruppen des Polymers die Polysulfid-Bindung verstärken und so die Degradation wirksam verringern. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für schwefelbasierte Kathoden als Alternative zu metallbasierten Kathoden und ist ein wichtiger Schritt hin zu umweltfreundlicheren, leistungsfähigeren Batterietechnologien. Behalten Sie diesen Bereich im Auge - Schwefel könnte die Zukunft der Batterien sein! Elektrisch kontrollierte Dehnung eines gespannten 2D-Halbleiters führt zur Hybridisierung verschiedener Energiezustände und ermöglicht die Emission einzelner Photonen
Halbleitende, zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) haben in den letzten 15 Jahren großes Interesse auf sich gezogen. Ihre hochgradig kontrollierbaren mechanischen und optoelektronischen Eigenschaften und ihre Kombinierbarkeit mit anderen 2D-Materialien zu neuen Strukturen machen TMDs zu vielversprechenden Systemen für viele Technologien wie Elektronik, Energieerzeugung und -speicherung. Ihre reichhaltige Physik umfasst exotische Phänomene wie beispielweise die Bose-Einstein-Kondensation oder die Einzelphotonenemission, von denen einige noch nicht vollständig erklärt sind. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in 2D-Halbleitern wird durch Exzitonen bestimmt, Coulomb-gebundene Elektron-Loch-Paare, die je nach Stärke ihrer Kopplung mit dem Licht als hell oder dunkel eingestuft werden können. Obwohl sie den Grundzustand des Systems darstellen, werden dunkle Exzitonen in WSe2 erst jetzt systematisch untersucht. Die Gruppe Physik niedrigdimensionaler Systeme von IRIS Adlershof-Mitglied Dr. Sebastian Heeg an der HU Berlin hat in Zusammenarbeit mit der AG Bolotin an der FU Berlin und der AG Libisch an der TU Wien die Dehnungsabhängigkeit von dunklen Exzitonen in einschichtigem WSe2 untersucht. Dieses System ist besonders relevant, da viele Studien über Einzelphotonenemitter in gespanntem WSe2 berichtet haben, aber den mikroskopischen Mechanismus hinter der Quantenlichtemission nicht erklären konnten. Dr. Heeg erklärt, wie dieses Projekt ursprünglich konzipiert wurde: "Unsere Kollegen in der Gruppe von Florian Libisch von der TU Wien haben 2019 eine spannende Arbeit veröffentlicht, in der sie vorhersagten, dass Dehnung in einschichtigen WSe2-Membranen dunkle Exzitonen in Resonanz mit natürlich vorkommenden Defektenergieniveaus bringen könnte. Sobald die beiden exzitonischen Spezies auf dieselbe Energie abgestimmt sind, würden sie ihre Eigenschaften kombinieren und einen hybridisierten Zustand erzeugen, der die Emission von Einzelphotonen ermöglicht. Als wir von diesem theoretischen Modell lasen, beschlossen wir sofort, es experimentell zu untersuchen. Dazu entwickelten wir eine elektrostatische Verformungstechnik, die es uns ermöglichte, WSe2-Membranen bei niedrigen und hohen Temperaturen kontrolliert zu verformen und gleichzeitig ihre elektronische Struktur mit Photolumineszenzspektroskopie zu untersuchen." Durch die kontrollierte Dehnungen der Membrane konnten die Autoren die verschiedenen exzitonischen Spezies im Material anhand ihrer energetischen Abhängigkeit von der Dehnung charakterisieren. Bei bestimmten Dehnungsniveaus wurden dehnungsunabhängige Defektzustände und dehnungsabhängige dunkle Exzitonen energetisch degeneriert und ihre Photolumineszenzintensität nahm um eine Größenordnung zu. Weitere Beweise für die Hybridisierung des Zustands, wie z. B. vermiedene Energieverschiebungen und die Abstimmbarkeit der zur Auslösung der Hybridisierung erforderlichen Dehnung bei der Temperatur, wurden ebenfalls gezeigt. "Die hohe Abstimmbarkeit des hybridisierten Zustands, die durch unsere Bauelementarchitektur ermöglicht wird, ist wahrscheinlich der Schlüssel für den Betrieb von Einzelquantenemittern in WSe2", betont Pablo Hernández López, Doktorand in der Gruppe von Dr. Heeg und Mitautor der Arbeit. "Andererseits öffnet die Charakterisierung und Abstimmung der Energiehierarchie der Exzitonen, die in suspendierten Materialien vorhanden sind, mit unserem Ansatz der elektrostatischen Dehnung die Tür für weitere spannende Entdeckungen in der Zukunft". Neue Produktionsmethode für flexible, langlebige Anoden mit hoher Kapazität im Verhältnis zum Gewicht
Ein Team von Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin, des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF) e. V. und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat eine Anode mit überlegener Leistung für tragbare Batterieanwendungen hergestellt, die nahe an die Grenzen der theoretischen Kapazität heranreicht. Einzigartig ist, dass die erhaltenen Anoden flexibel sind, ohne Oberflächenumbau oder Rissbildung, und sie überstehen Hitzeschocks ohne Leistungseinbußen. Herkömmliche Batterien gehen bei mechanischer und thermischer Belastung kaputt. Sie müssen zwangsläufig in steifen, starren Abschnitten von nominell "faltbarer" Elektronik und fern von Wärmequellen untergebracht werden. Die grundlegende Einschränkung der konventionellen Produktionsmethoden besteht darin, dass die freie Bewegung von Bindemitteln und Additiven, die für die Batteriemontage verwendet werden, mit der Zeit zu einem Verlust des gewünschten elektrochemischen Ungleichgewichts und schließlich zu einer toten Batterie führt. Um diese Einschränkung zu überwinden, hatte das Team von Prof. Michael J. Bojdys, dem Teamleiter an der Humboldt-Universität zu Berlin, die Idee, herkömmliche Bindemittel und Additive durch ein halbleitendes poröses organisches Polymer zu ersetzen, das (i) am Stromkollektor haftet und um das aktive Material herum wächst und (ii) den Transport von Elektrolyt und Ladungsträgern ermöglicht. IRIS-Mitglied Prof. Bojdys sagt: "Batterien funktionieren, weil wir sorgfältig eine chemische Ordnung aus kleinen Teilchen aufbauen. Das sieht man an den Plus- und Minuspolen der Batterie. Was passiert nun, wenn man ein solches geordnetes System schüttelt oder erhitzt? Nun, man zerstört die chemische Ordnung, und die Batterie ist tot! Die Art und Weise, wie wir herkömmliche Batterien bauen, ist vergleichbar damit, dass man alle seine Einkäufe lose in den Kofferraum seines Autos packt - wenn man nach Hause kommt, ist alles durcheinander. Wenn Sie Ihre Einkäufe geordnet aufbewahren wollen, packen Sie sie natürlich in Tüten! Das ist die Rolle, die unser halbleitendes poröses Polymer in unseren Elektroden spielt. Das Polymer ersetzt alle klassischen Batterieadditive und führt zu einer fantastischen Leistung". Basierend auf dieser Technologie wollen Dr. Goshtasp Cheraghian und Prof. Dr. Michael J. Bojdys ihre Elektroden und Tintenformulierungen im Rahmen des INAM AdMaLab 2022 Inkubator-Programms kommerzialisieren. Der Artikel erschien online als: FAIRe Forschungsdaten für die MaterialwissenschaftenDas FAIRmat-Konsortium unter Leitung der Humboldt-Universität beschreibt sein Konzept für zugängliche Forschungsdaten im renommierten Fachjournal Nature
Der Lebensstil unserer Gesellschaft wird in hohem Maße von den Errungenschaften der Physik der kondensierten Materie, der Chemie und den Materialwissenschaften bestimmt. Touchscreens, Batterien, Elektronik oder Implantate: Viele neue Produkte in den Bereichen Energie, Umwelt, Gesundheit, Mobilität und Informationstechnik beruhen weitgehend auf verbesserten oder sogar neuartigen Materialien. Die enormen Mengen an Daten, die täglich in diesen Forschungsfeldern produziert werden, stellen einen neuen Rohstoff dar – und sind damit Gold wert. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass diese Daten umfassend charakterisiert werden und der Wissenschaft zur Verfügung stehen. FAIRe Daten für eine gemeinsame NutzungDas Konsortium FAIRmat ("FAIR Data Infrastructure for Condensed-Matter Physics and the Chemical Physics of Solids") unter der Leitung von IRIS Adlershof-Mitglied Prof. Claudia Draxl hat sich zum Ziel gesetzt, diesen Rohstoff zu veredeln, also Daten in Wissen und Wert zu verwandeln. Ein Grundbaustein dafür ist eine Dateninfrastruktur, die es ermöglicht, Daten „FAIR“ zu machen, also auffindbar (Findable), zugänglich (Accessible), interoperabel (Interoperable) und wiederverwendbar (Re-purposable). „Mit einer „FAIRen“ Infrastruktur können Daten problemlos gemeinsam genutzt und mit Methoden der Datenanalyse und mit Künstlicher Intelligenz erforscht werden. Dieser Zugang wird die Art und Weise, wie Wissenschaft heute betrieben wird, deutlich verändern“, so Claudia Draxl. Im Fachjournal Nature beschreiben die Wissenschaftler:innen nun, wie die erfolgreiche Umsetzung einer solchen Dateninfrastruktur für den Bereich der Materialwissenschaften aussehen kann. Das Konsortium FAIRmat ist Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI). Das Projekt basiert auf den umfassenden Erfahrungen mit der weltweit größten Dateninfrastruktur der computergeschützten Materialwissenschaften, dem Novel Materials Discovery (NOMAD) Laboratory, welche von Claudia Draxl mitaufgebaut wurde und seit 2014 online ist. Die größten Herausforderungen für FAIRmat liegen in der Integration der Vielzahl von experimentellen Charakterisierungstechniken und Methoden der Materialsynthese. FAIR data enabling new horizons for materials research Kontak: Bremsstrahlung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen aus der Quantenfeldtheorie
Wenn zwei massive Objekte (Schwarze Löcher, Neutronensterne oder Sterne) aneinander vorbeifliegen, lenken die gravitativen Wechselwirkungen nicht nur ihre Bahnen ab, sondern sie erzeugen auch Gravitationsstrahlung oder gravitative Bremsstrahlung, in Analogie zum Elektromagnetismus. Die resultierende Gravitationswellen eines solchen Streuereignisses wurden in führender Ordnung in der Newton’schen Gravitationskonstante bereits in den 1970er Jahren mit traditionellen Methoden der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer umfangreichen Serie von vier Arbeiten berechnet. Bremsstrahlungsereignisse sind für die aktuelle Generation von Gravitationswellendetektoren noch unerreichbar, da das Signal nicht periodisch und typischerweise weniger intensiv ist. Dennoch sind sie interessante Ziele für zukünftige Suchen mit zukünftigen erd- und weltraumbasierten Observatorien. In der AG Quantenfeldtheorie um IRIS Adlerhof-Mitglied Prof. Plefka wurde nun ein neuer Ansatz zur Bestimmung dieser Wellenformen (Fig 1) und den Ablenkungen mit Methoden der perturbativen Quantenfeldtheorie entwickelt, der sich als deutlich effizienter als die traditionellen Zugänge erweist. Er basiert auf einer hybriden Quantenfeldtheorie, in der die schwarzen Löcher (oder Sterne) als Punktteilchen idealisiert werden und mit der Gravitationsfeld wechselwirken. Die Berechnung fußt dann auf einer systematischen diagrammatischen Entwicklung mittels Feynmangraphen. D.h. die Methoden die ursprünglich für die Streuung von Elementarteilchen entwickelt wurden können nun auch in astrophysikalischen Szenarien zum Einsatz kommen. Mit dieser innovativen Methode - der „Worldline Quantum Field Theory“ - konnte kürzlich in einer Serie von drei Publikationen in Physical Review Letters unser Verständnis dieses grundlegenden physikalischen Prozesses deutlich erweitert werden. In [1] wurden die Ergebnisse aus den 1970er Jahre in weitaus effizienterer Weise reproduziert, hierzu war lediglich die Berechnung von drei Feynmangraphen (Fig 2) vonnöten. In [2] konnte die Wellenform für den Fall rotierender schwarzer Löcher und Neutronensterne erweitert werden. In einer kürzlichen Publikation [3] wurden die Streuwinkel und Änderungen in den Impulsen und Rotationen durch den Streuprozess in nächst-nächst-führender Ordnung der Gravitationskonstante erstmalig bestimmt. Hierbei kamen elaborierte Techniken zur Berechnung von Feynmanintegralen zum Einsatz. Die Rotationsfreiheitsgrade der schwarzen Löcher können in dieser neuen Formulierung interessanterweise mir einer supersymmetrischen Weltlinientheorie beschrieben werden [4], die sonst in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik zum Zuge kommt. Diese Forschungen finden im Kontext des DFG Graduiertenkollegs 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ statt, das in Zusammenarbeit mit dem MPI für Gravitationsphysik und DESY an Innovationen in der Quantenfeldtheorie forscht. Fig 2: Feynmangraphen zur Bestimmung der Wellenform. Die gepunkteten Linien repräsentieren die schwarzen Löcher, die Wellen die Gravitationsstrahlung und die Linien Fluktuationen der Bahn der schwarzen Löcher.Publikationen:
Weitere Informationen: Kontakt:
Prof. Dr. Jan Plefka Sprecher Graduiertenkolleg 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ Institut für Physik & IRIS Adlershof, Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie Email: jan.plefkahu-berlin.de Tel: +49 (0)30 2093 66409 Sekr.: +49 (0)30 2093 66413 Raum 2.27 (Sekr. 2.28) http://qft.physik.hu-berlin.de https://www2.hu-berlin.de/rtg2575/ WEITERE SCIENTIFIC HIGHLIGTHS
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