Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Die Werkstoffwissenschaft ist für mich das faszinierendste Fachgebiet. Es war und ist von gravierender Bedeutung für die gesamte Menschheit. Werkstoffe sind das materielle Fundament unserer gesamten Kultur, so wie Wissen ihre geistige Basis ist. Sie haben ganze historische Epochen geprägt. Davon zeugt die Einteilung früher Etappen der Menschheitsgeschichte in Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Sie werden bei dem „Ritt auf der Rasierklinge“ erkennen, wie der Umgang des Menschen mit Werkstoffen vom Handwerk zur Industrie und schließlich zu einer eigenständigen Wissenschaft geworden ist. Dabei werden Sie Personen begegnen, die diese Entwicklung maßgeblich vorangebracht und damit kulturelle Leistungen vollbracht haben, die denen eines Cranach, Goethe oder Beethoven nicht nachstehen. Und Sie werden sehen, wie ihre Ergebnisse in viele Gebiete vorgedrungen sind, wie sie selbst aus anderen Quellen geschöpft hat und in welchen historischen Zusammenhängen sich das abgespielt hat. Außerdem werden Sie lernen, welches naturwissenschaftlich und technische Wissen und welche technischen Fähigkeiten und Fertigkeiten zum elementaren Handwerkszeug des Werkstofffachmannes gehören. Aber auch, über welches Wissen und Können er darüber hinaus verfügen muss, um Werkstoffe zu entwickeln und herzustellen, die dann auch zu Innovationen in der Industrie und der Gesellschaft führen. Und was er für eine Persönlichkeit sein muss, um Hindernisse überwinden zu können, die dem nicht selten entgegenstehen. Oder auch, um Chancen und Risiken des Einsatzes neuer Materialien und Werkstoffe abzuwägen und zu entscheiden, was er tut – oder lässt. Auch das ist manchmal, im übertragenen Sinne, ein Ritt auf der Rasierklinge.

Es gibt ziemlich sichere Hinweise darauf, dass sich schon unsere Vorväter in der Steinzeit rasiert haben. Vermutlich haben dabei bessere Erfolgschancen beim weiblichen Geschlecht eine Rolle gespielt. Warum sonst sollte ein Mann bereit sein, Höllenqualen zu erleiden, wenn er sich seinen Bart mit behauenen und abgeschliffenen Steinen oder Vulkanglas abschabt? Eine der Spuren der Steine, aus denen unsere Altvorderen Werkzeuge und Waffen hergestellt haben, führt zu Hightech-Kreationen der modernen Werkstoffforschung, den Keramiken. Steine und Obsidian haben bald eine Konkurrenz von Werkstoffen bekommen, der sie nicht standhalten konnten. Ihre Vorzüge preist schon die Bibel: Bronze und Eisen. Ausschlaggebend dafür war die innere Struktur der Metalle, durch die sie völlig andere Eigenschaften haben als ihre Vorgänger. Sie haben nicht nur neue Anwendungsgebiete erschlossen, sondern auch eine „Massenproduktion“ ermöglicht, die gravierende gesellschaftliche Folgen hatte. Der Siegeszug des Eisens mündete in die industrielle Revolution und der enorm steigende Bedarf an Stahl gebar Methoden und Verfahren der Prüfung und Charakterisierung von Werkstoffen. Gestützt auf Erkenntnisse der aufkommenden Naturwissenschaften war das die Initialzündung für die Werkstoffwissenschaft. Sie beobachtete und verstand immer besser, worauf die Eigenschaften von Materialien beruhen und wie man sie beeinflussen kann. So konnte sie immer neue und verbesserte Werkstoffe und Herstellungsverfahren entwickeln. Ein Höhepunkt sind Halbleiter, auf deren Grundlage eine neue Industrie entstand, die letztlich auf Sand gebaut ist, der aus Steinen entsteht.

Ein Flugzeugtriebwerk wird beim Start innerhalb von nur zwei Sekunden auf 1200°C erhitzt, erreicht eine Betriebstemperatur von 1800°C und soll 30.000 Starts und Landungen durchhalten. Die Werkstoffe, aus denen es besteht, sind wahrhaft „heiße Typen“. Ursprünglich baute man sie aus Stahl, dann hielten Superlegierungen auf der Basis von Nickel, Titanlegierungen sowie Keramik- und Polymerverbundwerkstoffe Einzug in den Triebwerksbau. Wie im Himmel das Flugzeug, macht auf der Erde das Auto mobil. Es soll umweltverträglicher und deshalb leichter werden. Bei der Entwicklung der dafür benötigten Werkstoffe hat die Konkurrenz durch Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie durch kohlefaserverstärkte Kunststoffe die Entwicklung hochfester Stähle forciert. In jüngster Zeit ist die Werkstoffforschung zur Natur zurückgekehrt. Sie hat ihr naturwissenschaftliches Fundament verbreitert und sich mit der Biologie verbandelt. Werkstoffforscher fahnden nach Prinzipien und Strukturen der belebten Natur, um sie technisch nachzuahmen. Sogar Mikroorganismen nimmt man dazu zum Vorbild. „Biomimetische“ oder „biologisch inspirierte Werkstoffe“ dienen beispielsweise der Herstellung von Prothesen und der Beseitigung von Umweltschadstoffen. In den letzten Jahrzehnten haben Werkstofffachleute sogar intelligente Werkstoffe entwickelt und hergestellt, die selbstständig auf veränderte Umgebungsbedingungen reagieren. Beispielsweise Formgedächtnislegierungen und -polymere für medizinische Stents und chirurgisches Nahtmaterial und Piezokeramiken zur Erzeugung von Ultraschall und zur Schwingungsdämpfung von Bauteilen. Ohne die Leistungen von Werkstofffachleuten wäre HighTech lediglich eine Idee geblieben, die niemals gezündet hätte.

Der Weg in die Nanotechnologie wurde bereits vor über 50 Jahren vorhergesagt. Realität wurde sie gegen Ende des vorigen Jahrhunderts als man Kohlenstoffteilchen entdeckte und herstellte, die nur wenige Nanometer groß sind: Fullerene und Nanoröhrchen. Es wurden Geräte entwickelt, mit denen Werkstoffforscher bis in diese Dimension vorgedrungen sind und sogar einzelne Atome damit nicht nur sehen, sondern sogar manipulieren konnten: Elektronen- und andere Mikroskope. Es ist fraglich, ob bei der Wärdigung ihrer Entwicklung jeder zu Ehren gekommen, dem sie gebührt. Die praktische Nutzung von Fullerenen, steht noch immer ziemlich am Anfang. Nanoröhrchen werden bereits auf vielfältige Weise eingesetzt. Von weit praktischerer Bedeutung sind andere Nanopartikel: Pulver aus verschiedenen Materialien. Die kleinsten bekannten Nanopartikel bestehen aus nur etwa 10⁴ Atomen, sogenannte Quantenpunkte. Damit hofft man, extrem leistungsfähige Computer herstellen zu können. Die Nanotechnologie hat Chancen eröffnet, aber auch Bedenken geweckt, denen Wissenschaftler nachgehen. Nanopartikel können im Körper Zellmembranen und die Barriere durchdringen, die das Gehirn vor Krankheitserregern schützt. Materialien sind hierarchisch aufgebaut. Werkstoffforscher arbeiten nun daran, Materialstrukturen über alle Dimensionsebenen hinweg quantitativ zu modellieren und ihr Verhalten zu simulieren, um Werkstoffe mit neuen Eigenschaften vorhersagen zu können. Das ist eine neue methodische Säule der Werkstoffforschung: Die Computational Materials Science. Sie kann auch der kombinatorischen Materialforschung zum Durchbruch verhelfen, die bekannte Ausgangsstoffe miteinander kombiniert und schnell Kombinationen selektiert, aus denen ein Material mit definierten Eigenschaften entwickelt werden kann.

Sie haben bei unserem „Ritt auf der Rasierklinge“ gesehen, wie der Umgang des Menschen mit Werkstoffen vom Handwerk zur Wissenschaft geworden ist, wie Werkstoffe ganze Epochen geprägt haben, wie sie und nach wie vor unser Leben verändern und wohin sich die Werkstoffwissenschaft entwickeln könnte. Sie haben dabei in verschiedenen Zusammenhängen auch gelernt, welches die hauptsächlichen Arbeitsfelder von Werkstofffachleuten sind, welche generellen Probleme sie bearbeiten und was das wissenschaftliche Fundament für ihre Lösung ist. Und Sie haben einige Bedingungen kennengelernt, die zu bedenken sind, damit neue Werkstoffe Eingang in die Industrie finden. Ich rufe Ihnen das abschließend noch einmal kurz und knapp in Erinnerung und fasse es in einigen Merksätzen zusammen, die Sie im Gedächtnis behalten sollten.