Quantum Size Effect in Nanomaterials

Bei der Schwungrad-Energiespeicherung (FES) wird ein Rotor (Schwungrad) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt und die Energie im System als kinetische Rotationsenergie gespeichert. Die gespeicherte Energie ist proportional zum Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit. Wenn Energie entnommen wird, verlangsamt sich die Drehung des Schwungrads. Die Formel für die gespeicherte Energie lautet [latex]E = \frac{1}{2} I \omega^2[/latex], wobei I das Trägheitsmoment und ω die Winkelgeschwindigkeit ist.

Die Molekularelektronik erforscht die Nutzung einzelner Moleküle oder nanoskaliger Molekülansammlungen als grundlegende elektronische Komponenten. Ziel dieses Ansatzes ist der Bau von Schaltkreisen an der äußersten Grenze der Miniaturisierung, weit über die traditionelle Siliziumtechnologie hinaus. Zu den Schlüsselkomponenten gehören molekulare Drähte, Schalter und Gleichrichter, deren Funktion quantenmechanische Eigenschaften wie das Tunneln von Elektronen durch Molekülorbitale nutzt.

Die Ausfallphysik (Physics of Failure, PoF) ist ein Ansatz im Zuverlässigkeitsingenieurwesen, der Erkenntnisse aus der Materialwissenschaft und Physik nutzt, um die Ursachen von Ausfällen zu verstehen und zu modellieren. Anstatt sich ausschließlich auf statistische Daten aus vergangenen Ausfällen zu stützen, konzentriert sie sich auf die Vorhersage von Ausfällen durch die Analyse physikalischer Prozesse (z. B. Ermüdung, Korrosion, Kriechen), die zu Degradation und Ausfall führen.

Der Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser über einer Flüssigkeitsoberfläche in feuchter Luft ([latex]p^*_{H_2O,a}[/latex]) ist etwas größer als der Gleichgewichtsdampfdruck über einer reinen Wasseroberfläche ([latex]p^*_{H_2O}[/latex]). Dieser Unterschied wird durch den Wasserdampfverstärkungsfaktor [latex]f_w[/latex] quantifiziert, der von der Temperatur und dem Druck der feuchten Luft abhängt. Die Beziehung lautet [latex]p^*_{H_2O,a} = f_w(T, p_{ms}) \cdot p^*_{H_2O}[/latex].

Seltenerdmagnete sind starke Permanentmagnete aus Legierungen seltener Erden. Sie wurden in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt; die gängigsten Typen sind Neodym-Magnete (NdFeB) und Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo). Sie sind die stärksten Permanentmagnete überhaupt und erzeugen deutlich stärkere Magnetfelder als Ferrit- oder Alnico-Magnete. Dadurch ermöglichen sie Miniaturisierung und Leistungssteigerung in vielen Technologien. Hinweis: Der Begriff „Seltenerdelement“ ist historisch irreführend. Diese Elemente kommen in der Erdkruste nicht außergewöhnlich selten vor. Cer, das am häufigsten vorkommende Element, ist ähnlich wie Kupfer das 25.-häufigste Element. Selbst das am wenigsten vorkommende stabile Seltene Erdelement, Lutetium, kommt fast 200-mal häufiger vor als Gold. Die Bezeichnung „selten“ entstand, weil die Elemente schwer zu trennen waren.

Ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ionen) ist ein wiederaufladbarer Akku, bei dem Lithiumionen beim Entladen von der negativen Elektrode (Anode) durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode (Kathode) und beim Laden wieder zurück wandern. Als Kathodenmaterial dient eine interkalierte Lithiumverbindung, als Anode typischerweise Graphit. Die hohe Reaktivität von Lithium ermöglicht eine hohe Energiedichte.

Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) speichern Energie in dem Magnetfeld, das durch den Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule entsteht. Die Energie kann unbegrenzt gespeichert werden, solange die Spule auf supraleitenden Temperaturen gehalten wird, da es praktisch keine Energieverluste aufgrund des elektrischen Widerstands gibt. Die gespeicherte Energie ist gegeben durch [latex]E = \frac{1}{2} L I^2[/latex].

Der Ganz-Griesser-Weißgrad-Index ist eine lineare Formel, die vor allem in der Textilindustrie weit verbreitet ist. Er wird von den CIE-Tristimuluswerten abgeleitet und ist definiert als [latex]W_{GG} = Y - Px - Qy + C[/latex], wobei P, Q und C Konstanten sind, die für die Lichtart und den Beobachter spezifisch sind. Für die Bedingung D65/10° lautet die Formel [latex]W_{GG} = Y - 1868.322x - 3695.690y + 1809.441[/latex].

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren über einen Interkalationsmechanismus, eine reversible Einlagerung von Ionen in ein geschichtetes Wirtsmaterial. Während der Entladung de-interkalieren Lithium-Ionen ([latex]Li^+[/latex]) von einer negativen Elektrode (Anode), in der Regel Graphit, und wandern durch einen nicht-wässrigen Elektrolyten, um sich in eine positive Elektrode (Kathode), in der Regel ein Metalloxid, einzulagern. Die Elektronen wandern durch den externen Stromkreis und erzeugen Strom.

Die Entladetiefe (DoD) gibt an, wie viel Prozent der Kapazität einer Batterie entladen wurden. Sie ist der Kehrwert des Ladezustands (SoC), wobei 100 % DoD bedeuten, dass die Batterie leer ist. Die Zyklenlebensdauer einer Batterie hängt stark von ihrer durchschnittlichen DoD ab; niedrigere DoD-Zyklen (z. B. Entladung auf nur 80 % der Kapazität) erhöhen die Anzahl der Zyklen, die eine Batterie aushalten kann, deutlich.

Die Skalierungsgesetze für MEMS beschreiben, wie sich die physikalischen Kräfte und Eigenschaften ändern, wenn die Abmessungen der Geräte auf die Mikroskala schrumpfen. Im Gegensatz zur makroskopischen Welt, die von Schwerkraft und Trägheit beherrscht wird, werden Mikrodomänen von Oberflächenkräften wie Oberflächenspannung, Viskosität und elektrostatischen Kräften bestimmt. Zum Beispiel skaliert die Schwerkraft mit dem Volumen ([latex]L^3[/latex]), während die elektrostatische Kraft mit der Fläche ([latex]L^2[/latex]) skaliert und bei kleineren Abmessungen relativ stärker wird.

Neodym-Magnete sind die stärksten kommerziell erhältlichen Permanentmagnete. Sie bestehen aus einer ternären Legierung aus Neodym, Eisen und Bor mit der stöchiometrischen Formel Nd2Fe14B. Ihre enorme magnetische Stärke resultiert aus der hohen magnetischen Anisotropie und Sättigungsmagnetisierung des Materials, die sich aus seiner tetragonalen Kristallstruktur ergibt. Sie sind jedoch spröde, korrosionsanfällig und haben eine niedrige Curie-Temperatur.

Ein Einzelelektronentransistor (SET) ist ein Schaltgerät, das kontrolliertes Elektronentunneln nutzt, um den Fluss einzelner Elektronen zu manipulieren. Er besteht aus einem Quantenpunkt (der „Insel“), der über Tunnelverbindungen mit Source- und Drain-Anschlüssen und kapazitiv mit einer Gate-Elektrode verbunden ist. Seine Funktionsweise basiert auf dem Coulomb-Blockade-Effekt, der extreme Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch ermöglicht.