Bioinspirierte Unterwasserklebstoffe

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Im Allgemeinen stehen aus industrieller Sicht Wasser und Feuchtigkeit noch häufig in Konflikt mit Klebeverbindungen, doch paradoxerweise treten in lebenden Organismen praktisch alle Adhäsionen in Gegenwart von Wasser auf. Effektive Unterwasserklebstoffe besitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten; zum einen können sie in der Medizin zum Wundverschluss und zur Gewebsrekonstruktion eingesetzt werden. Zum anderen sind sie z. B. prädestiniert zum Verschluss von Lecks und Reparaturarbeiten sowie für das Anbringen von Sensoren oder anderen Bauteilen unter Wasser bzw. im feuchten Milieu. Die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet führt zusätzlich zu einem guten Verständnis der Mechanismen von natürlichen, biologischen Unterwasserklebstoffen und ermöglicht so auch die Herstellung neuer nicht-toxischer Antifoulingbeschichtungen. Weiterlesen

Metallhalogenid-Perovskite

Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Metallhalogenid-Perovskite wurden quasi über Nacht zu einem enorm vielversprechenden Werkstoff für die Photovoltaik, als sich auf diesen Materialien basierende Solarzellen innerhalb von nur wenigen Jahren soweit verbessern ließen, dass sie in ihrer Effizienz mit etablierten Silizium- und Dünnschichtsolarzellen konkurrieren konnten. Zuletzt hat sich jedoch herausgestellt, dass sie daneben auch ein großes Potenzial für eine Vielzahl weiterer Anwendungen im Bereich der Photonik und Optoelektronik aufweisen. Insbesondere erhofft man sich von ihrer Nutzung, optische Bauteile wie Wellenleiter, Laser, Leuchtdioden (LEDs) oder Photodetektoren weiter miniaturisieren zu können. Weiterlesen

Künstliche Muskeln

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Carsten Heuer, Dr. Ramona Langner

Aktoren, also Antriebselemente, die zumeist elektrische Signale in mechanische Bewegung umwandeln, sind allgegenwärtig. Klassische Beispiele sind pneumatische oder hydraulische Systeme, die sich in ihrem Design am natürlichen Pendant, den Muskeln, orientieren. Materialien und technische Komponenten, die reversible Formveränderungen (z. B. Kontraktion, Expansion oder Rotation) ausführen und so die Funktionen von natürlichen Muskeln imitieren können, werden daher auch als künstliche Muskeln bezeichnet. Weiterlesen

Computerbasiertes Hochdurchsatzscreening für die Werkstoffentwicklung

Dr. Marcus John, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Die Entwicklung neuer Werkstoffe sowie deren kontinuierliche Verbesserung ist ein essentieller Treiber von Innovationen. Obwohl der Mensch letztlich über eine jahrtausendealte Erfahrung verfügt, Werkstoffe wie Stein, Bronze oder Eisen nach seinen Vorstellungen zu modifizieren, benötigt man auch heutzutage noch zwischen 15 und 20 Jahren, bis ein neuer Werkstoff am Markt erfolgreich ist. Das Problem liegt schon allein in der großen Anzahl potentieller Werkstoffe begründet, die aus den über 100 bekannten Elementen gebildet werden können. Um diesen riesigen Raum kombinatorischer Möglichkeiten effizienter durchsuchen zu können, rücken zunehmend computerbasierte Methoden in den Fokus, da diese den Prozess der Materialentwicklung erheblich beschleunigen und preisgünstiger machen könnten. Im Rahmen des sogenannten computerbasierten Hochdurchsatzscreenings werden quantenmechanische Simulationsverfahren mit Methoden des Data Mining verknüpft. Solche Verfahren werden es in Zukunft erlauben, neue Werkstoffe zu entwerfen. Weiterlesen

Gradierte Massivwerkstoffe

Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

Der zunehmende Bedarf an Miniaturisierung und Gewichtseinsparung führt dazu, dass die Anforderungen an Werkstoffe steigen und darüber hinaus immer häufiger auch zusätzliche Funktionalitäten übernommen werden sollen. Dies kann oft nicht von einem Werkstoff alleine erfüllt werden und unterschiedlichste Polymere, Metalle und Keramiken werden innerhalb der einzelnen Werkstoffklassen oder aber Werkstoffklassen-übergreifend kombiniert. In vielen Fällen weisen solche homogenen Komposite jedoch abrupte Eigenschaftsübergänge auf, die speziell bei starker mechanischer oder thermischer Belastung Schwachstellen darstellen können. Das Konzept der Gradientenwerkstoffe mit kontinuierlichen Eigenschaftsübergängen wurde Mitte der 1980er-Jahre in Japan geprägt, indem sie nicht nur theoretisch beschrieben, sondern als Barriere für extreme thermische Spannungen, wie sie in der Raumfahrt auftreten, herangezogen wurden. Weiterlesen

Bionische Datenspeicher

Stefan Reschke, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

Die Speicherung und Bereitstellung großer Datenmengen auf kleinstem Raum wird derzeit hauptsächlich durch das Nutzerverhalten im boomenden Markt mobiler Endgeräte sowie das sich entwickelnde „Internet of Everything“ (mit Einzelaspekten wie z.B. Industrie 4.0, Smart Home, Product-as-a-Service) zu einem kritischen Faktor in Bezug auf Nutzerzufriedenheit und Wirtschaftlichkeit. Parallel dazu sinkt nach wie vor die durchschnittliche Nutzungsdauer mobiler Computer und Kommunikationsgeräte, was anhaltend zu steigenden Umweltbelastungen v.a. in der dritten Welt führt. Laut einer UNEP-Studie werden weltweit jährlich über 50 Mio Tonnen Elektronikmüll produziert, der nicht biologisch abbaubar ist. Dessen Recycling erfolgt mangels Anlagenkapazität, aufgrund komplexer Bauteilstrukturen und Werkstoffmischungen sowie insbesondere auch hoher Kosten bislang nur sehr unvollständig. Überwiegend wird er weltweit in Armutszonen verschifft und dort deponiert bzw. unkontrolliert verwertet. Weiterlesen

Perlmutt als Vorbild für biomimetisches Design

Stefan Reschke, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

Die Biomimetik, im deutschen häufig auch als Bionik bezeichnet, sucht einerseits gezielt nach Strukturen und Materialkombinationen in der Natur, die als direkte Vorbilder für technische Innovationen von Bedeutung sein können, siehe z.B. den Klettverschluss. Andererseits analysiert sie biologische Struktur- oder Organisationsprinzipien als solche und sucht danach Transfermöglichkeiten in technische sowie auch prozess- und organisationsbezogene Anwendungen. Im Bereich mechanischer Eigenschaften zeigen verschiedene natürliche Materialien wie Baumhölzer, Bambus, Knochen oder Muschelschalen Eigenschaftskombinationen, die bei klassischen Werkstoffen schlecht vereinbar scheinen, z.B. sehr hohe Härte mit sehr hoher Bruchzähigkeit. Hier bieten die in der Natur typischen hierarchischen mikro-nano-Architekturen, gepaart mit vielfältigen Wechselwirkungen an den inneren Grenzflächen dieser natürlichen Materialien, vielversprechende Designvorlagen. Weiterlesen

Recycling von carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Der Leichtbau und die Entwicklung entsprechender Werkstoffe werden weiterhin stark vorangetrieben und ihre Anwendungsfelder nehmen stetig zu. Neben den Leichtmetallen sind hier vor allem Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe (FVK) von Interesse. Aufgrund strenger rechtlicher Bestimmungen sowie ökologischer und ökonomischer Überlegungen wird dabei mittlerweile nicht mehr nur die Herstellung der Materialien betrachtet, sondern zunehmend bereits vor deren Einsatz auch ihr Verbleib nach Lebensende geklärt. Während viele Werkstoffe bereits gut recycelt werden können, stellen insbesondere die noch relativ jungen carbonfaserverstärkten Kunststoffe (CFK) eine Herausforderung dar. Verwertbare Abfälle fallen über den gesamten Produktentstehungs- und lebenszyklus an und die Herstellung der eingebetteten Carbonfasern ist sehr energie- und kostenintensiv, weshalb das Recycling auch ökonomisch sinnvoll ist. Hinzu kommt, dass die Deponierung stark reglementiert ist und die rechtlich geforderten Recyclingquoten bereits jetzt sehr hoch sind; für die Automobilbranche liegt sie beispielsweise bei 95%. Weiterlesen

Soft Robots

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Mit dem Begriff Roboter werden im allgemeinen Sprachgebrauch präzise Computer-gesteuerte automatisierte und zum Teil humanoide Maschinen verbunden, die eine starre Struktur besitzen und Gelenke, Scharniere oder Klappen aufweisen. Soft Robots bestehen im Gegensatz dazu aus nachgiebigen Materialien und sind an biologische Systeme angelehnt. Potentielle Anwendungsgebiete von Soft Robots sind beispielsweise Such- und Bergungseinsätze auf unzugänglichem Terrain, die feinfühlige Handhabung empfindlicher Gegenstände oder weiche Orthesen, die insbesondere für die Rehabilitation von Gliedmaßen sehr gezielte Versteifungen oder Formungen ermöglichen. Um autonomes Verhalten zu ermöglichen, müssen alle Anlagen der Sensorik und Aktorik, der Steuerungscomputer, die Energieversorgung und Kommunikationsvorrichtungen in das flexible Material eingebettet werden. Idealerweise werden dazu Smart Materials genutzt, die gleich mehrere dieser Funktionen integrieren. Die anwendungsnahe Forschung an Soft Robots ist zudem ein sehr interdisziplinäres Feld, das querschnittliche Expertisen aus Informatik, Materialwissenschaften und dem Maschinenbau nutzt. Weiterlesen

3D-Druckverfahren in der regenerativen Medizin

Stefan Reschke, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

3D-Druckverfahren, wegen des schichtweisen Materialaufbaus im Englischen überwiegend unter der Bezeichnung „Additive Manufacturing“ zusammengefasst, dienen zunehmend der kommerziellen Herstellung von kundenspezifisch maßangefertigten Bauteilen mit komplexen Geometrien, welche über herkömmliche Produktionsverfahren grundsätzlich nicht oder zumindest nicht in einem Stück gefertigt werden können. Hinzu kommt, dass einige 3D-Druckverfahren bei Raumtemperatur und normalen Umgebungsbedingung stabile räumliche Strukturen hoher Komplexität aufbauen können. Sie sind also prinzipiell dazu geeignet, mit lebender Materie wie z.B. Stammzellen des Patienten oder sehr empfindlichen biologischen Substanzen und Wirkstoffen, z.B. Kollagen oder sogenannte Wachstumsfaktoren, räumliche Strukturen wie weiche (z.B. Bindegewebe) und harte Gewebe (Knochen) oder auch Organe herzustellen. Ein weiterer extrem wertvoller Vorteil dieser Verfahren ist, dass mit ihnen direkt bei der Produktion des Bauteils Gradienten in Bezug auf Materialzusammensetzung und Porosität erzeugt werden können. Weiterlesen