Heyn-Denkmünze 2025

Im Fokus der fast 40-jährigen wissenschaftlichen Arbeit von Jörg Weißmüller steht die Wechselwirkung von Thermodynamik, Chemie und Mechanik an Grenzflächen in Materialien. Seine Arbeiten auf diesem Gebiet markieren wesentliche Fortschritte.

Richtungsweisend waren bereits seine Arbeiten aus den frühen neunziger Jahren zur thermodynamischen Stabilisierung nanokristalliner Materialien, in denen er sowohl theoretisch als auch experimentell belegen konnte, dass die Korngrenzenenergie durch Segregation zu Null reduziert werden und nanokristalline Zustände so stabilisiert werden können. Dieses Konzept wurde später vielfach aufgegriffen.

Phänomenologie und Theorie der Wirkung von Kapillarkräften, insbesondere der elastischen Flächenspannung in Materialien, sind ein durchgehendes Thema in der Forschung von Jörg Weißmüller. Die von ihm gemeinsam mit John Cahn hergeleitete verallgemeinerte Kapillargleichung für Festkörper stellt einen grundlegenden Beitrag zur Theorie von Kapillarphänomenen dar. Es handelt sich, wenn man so möchte, um die festkörperphysikalische Erweiterung der 200 Jahre alten Young-Laplace Theorie für Fluide.

Seine Experimente zu Grenzflächen in Nanomaterialien führten Weißmüller auch zur Entwicklung eines erweiterten Modells der Mechanik verformbarer Grenzflächen, das auf den Ansätzen von Gurtin aufbaut. Gemeinsam mit Gurtin erweiterte er das bestehende Konzept um die Möglichkeit von Verschiebungssprüngen an Korngrenzen – ein Modell, das heute zu den Standardwerken der Materialmechanik zählt und bereits ca. 1000 mal zitiert worden ist.

Untersuchungen von Jörg Weißmüller an nanokristallinen Materialien sowie später an nanoporösem Gold haben zum Verständnis der Festigkeit und Plastizität von Nanomaterialien beigetragen. Originelle experimentelle Ansätze zur Verformung in-situ in elektrochemischer Umgebung erlaubten es dabei, selektiv die Rolle der Oberfläche zu identifizieren. Diese Experimente zur Plastizität von Nanomaterialien trugen unter anderem zur Programmfindung und Erfolg der DFG-Forschergruppe 714 „Plastizität von Nanomaterialien“ (2006-2012) unter der Leitung von Jörg Weißmüller bei.

Elektrochemie nahm eine zunehmend tragende Rolle in Jörg Weißmüllers Arbeiten ein: Seine Untersuchungen zu elektrochemisch-mechanisch gekoppelten Phänomenen an Elektrodenoberflächen und in nanoporösen Materialien verknüpfen in herausragender Weise Experiment, abinitio Simulation und Kontinuumstheorie. Damit konnten unter anderem auch neuartige Einblicke in die Optimierung katalytischer Prozesse durch elastische Dehnung der Oberfläche gewonnen werden.

Unter demselben Stichwort Elektrochemie hervorzuheben sind seine Beiträge zur Erforschung von hybriden Nanomaterialien als einem Verbund aus Metall und Wasser auf fast atomar feiner Skala, der oberflächenkontrolliert elektrisch schaltbare Eigenschaften erlaubt. Diese Materialien waren eine wichtige Säule für den Sonderforschungsbereich 986 „Maßgeschneiderte Multiskaligen Materialsysteme“ (2012-2024), zu dessen Erfolg Jörg Weißmüller wesentlich beigetragen hat. Als eine Facette des Exzellenzclusters „BlueMat — Wassergesteuerte Materialien“ bleiben sie Forschungsgegenstand in Hamburg. Bei diesen Arbeiten geht es insbesondere um elektrisch schaltbare Festigkeit bzw. in weiterer Folge um grenzflächenbestimmte Aktorik und Dehnungssensorik. Jörg Weißmüllers erste Arbeit zu diesem Thema, die in Science erschien, wurde in der Zeitschrift mit einem Begleitkommentar unter der Überschrift „Muscles made from metal“ prominent hervorgehoben.

Zusätzlich zur Wechselwirkung von Thermodynamik, Chemie und Mechanik an Grenzflächen in Materialien, hat sich Jörg Weißmüller insbesondere in jüngster Zeit darüberhinaus auch mit besonders grundlegenden Aspekten der Mechanik und Thermodynamik von Materialen beschäftigt, nämlich mit der Elastizität offener Systeme. Diese Arbeiten bauen auf der Theorie der Kontinuumsmechanik und Thermodynamik von Mischkristallen von Larché und Cahn auf. Jörg Weißmüller und Mitarbeiter konnten erstmals die zentralen Materialparameter der Theorie, nämlich die elastischen Parameter offener Systeme, experimentell untersuchen und die Vorhersagen präzise bestätigen. In der Anwendung auf hybride Nanomaterialien konnten sie Materialien mit reversibel schaltbarem elastischem Verhalten demonstrieren. In weiterer Folge entwickelte Jörg Weißmüller einen Ansatz für die konkrete Berechnung von Bedingungen für kohärente Phasenübergänge in interstitiellen Mischkristallen, wie z.B. Metallhydriden oder Lithiumverbindungen als Energiespeichermaterialien.