Der Begriff Austausch beschreibt in der Werkstoffwissenschaft eine Klasse von Prozessen, bei denen Teilchen, Ladungen oder Bindungspartner zwischen zwei chemischen oder physikalischen Zuständen wechselseitig übertragen werden. Typische Austauschprozesse betreffen Elektronen, Protonen, Ionen, Liganden oder funktionelle Gruppen und sind zentral für Reaktivität, Transport und Stabilität von Werkstoffen.

Elektronen- und Ladungsaustausch umfasst galvanischen Austausch und Elektronen-Selbsttausch. Beim galvanischen Austausch werden Metallionen in Lösung durch ein weniger edles Metall auf der Oberfläche reduziert, während dieses in Lösung geht. Dies beeinflusst z.B. Korrosion, Metallabscheidung und Struktur von Katalysatornanopartikeln. Elektronen-Selbsttausch beschreibt ladungsneutrale Elektronentransfers zwischen identischen Spezies in unterschiedlichen Oxidationsstufen und ist grundlegend für Leitfähigkeit in Redox-Polymeren und Batteriematerialien.

Protonen- und Ionenaustausch ist zentral für Membranen, Ionenaustauscherharze und Festkörperelektrolyte. Beim Protonenaustausch (z.B. in Nafion-Membranen) werden bewegliche H⁺-Spezies zwischen festen Ankergruppen und dem Elektrolyten übertragen, was die Protonenleitfähigkeit in Brennstoffzellen bestimmt. Ionenaustausch (z.B. Kationen- oder Anionenaustausch in Zeolithen oder Harzen) erlaubt gezielte Modifikation von Zusammensetzung, Säure-Basen-Eigenschaften und Sorptionsverhalten.

Liganden- und kovalenter Austausch findet an Koordinationskomplexen und Oberflächen statt. Ligandenaustausch steuert Stabilität, Löslichkeit und Funktion metallorganischer Verbindungen und Oberflächenmodifikationen von Nanopartikeln. Dynamischer Austausch von Boronsäureestern ist ein Beispiel für reversible kovalente Chemie, die in dynamischen Netzwerken und selbstheilenden Polymeren genutzt wird.

Schließlich bezeichnet wissenschaftlicher Austausch die organisierte Weitergabe von Daten, Methoden und Modellen zwischen Forschergruppen. Er ist essentiell, um komplexe Austauschprozesse in modernen Funktionswerkstoffen quantitativ zu verstehen und gezielt zu steuern.