Mit der Atomsonden-Tomographie kann man ins Innere von Materialien blicken und ihre Strukturen bis auf atomarer Ebene analysieren.
Oliver Dietze
Wenn die Flügel eines Flugzeugs bedrohliche Belastungen selbst „fühlen“ oder Metallschäume leicht und stabil sind wie unsere Knochen, dann haben Werkstoffingenieure ihre Finger im Spiel. Neueste Trends diskutieren Wissenschaftler vom 8. bis 13. September auf der größten europäischen Konferenz für Materialforschung in Sevilla.
Zwei Drittel aller Technologie getriebenen Innovationen sind von Werkstoffaspekten abhängig, geben die Springer-Autoren Marc-Denis Weitze und Christina Berger in ihrem Buch „Werkstoffe“ zu bedenken. Insgesamt, so zitieren sie aus einer BMBF-Publikation, stehen mehr als 70 Prozent des Bruttosozialproduktes in westlichen Technologieländern direkt oder indirekt im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Materialien. In Deutschland erzielt der Wirtschaftsbereich jährlich einen Umsatz von fast einer Billion Euro und beschäftigt rund 5 Millionen Menschen.
„Die Materialforschung ist für die europäische Wettbewerbsfähigkeit von enormer Bedeutung“, unterstreicht auch Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes. Er ist in diesem Jahr der wissenschaftliche Leiter der größten europäischen Konferenz für Materialforschung, der Euromat in Sevilla. Rund 2500 Wissenschaftler aus ganz Europa, den USA, Asien, Lateinamerika und Australien stellen dort vom 8. - 13. September aktuelle Forschungsergebnisse vor.
Von der Komplexität zur Einfachheit
Der Saarbrücker Materialforscher macht mehrere Trends aus, mit denen sich europaweit die Wissenschaftler befassen. „Lange Zeit entwickelte man immer komplexere Materialien mit einem Gemisch aus vielen Rohstoffen. Doch diese werden immer knapper und manche auch sehr teuer, sodass man sich heute auf Lösungen konzentriert, die mit wenig Materialien umzusetzen sind. Durch maßgeschneiderte Mikrostrukturen können diese ganz unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel dafür sind kohlenstoffbasierte Materialien wie die Nanotubes, die unter mechanischen Gesichtspunkten extrem fest sind, aber auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bieten“, erläutert Frank Mücklich. Viele Materialforscher orientierten sich auch an Vorbildern aus der Natur, die im Laufe der Evolution wirkungsvolle Systeme geschaffen hätten und dabei oft mit wenigen chemischen Elementen auskämen.
Erkenntnisschub durch neue Analysemethoden
Einen weiteren Trend sieht Mücklich in der Entwicklung von intelligenten und autonomen Systemen, die sich selbst mit Energie versorgen. Sie können zum Beispiel „spüren“, welche Belastung vorliegt und selbst Korrektursignale an das System senden. Diese Systeme werden etwa im so genannten „Smart Home“ für die Energiesteuerung und Überwachung der Häuser eingesetzt. Einen großen Schub hat die Materialforschung in den vergangenen Jahren vor allem durch neue Analysemethoden erhalten. „Wir können heute alle Materialien nicht nur chemisch exakt analysieren, sondern auch die Gitterstruktur der Kristalle veranschaulichen und zeigen, welche Atome an welcher Stelle des Materials enthalten sind. Am Computer können wir diese Nanostrukturen dann zwei- und dreidimensional simulieren und modellieren“, erläutert der Werkstoffwissenschaftler. Mit diesen Erkenntnissen könne man vorhandene Materialien erstmals vollständig verstehen. Dies helfe dabei, die herkömmlichen Werkstoffe zu verbessern und neue zu entwickeln, bei denen man zum Beispiel Eigenschaften miteinander kombiniert, die früher unvereinbar waren.