Kategorie: Werkstofftrends

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

Gele werden bereits seit längerem als Werkstoffe genutzt und sind unter anderem für medizinische Anwendungen von Bedeutung. Sie bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk, z. B. aus miteinander verknüpften Polymerketten, welches Partikel einer Flüssigkeit immobilisiert. Auf diese Weise werden Materialien erhalten, die sich durch das Netzwerk wie Festkörper verhalten, aber das spezifische Gewicht und bestimmte Eigenschaften der Flüssigkeit aufweisen. Als Metallogele werden Polymergele bezeichnet, die zusätzlich metallische Komponenten wie Metallkationen oder metallische Nanopartikel enthalten. Durch diese verändern sich einerseits Basiseigenschaften des Gels wie der Mechanismus der Gelbildung oder seine Festigkeit. Insbesondere aber ist das Ziel, gewebeähnliche, bioverträgliche Materialien mit zusätzlichen Funktionalitäten zu versehen, etwa der Absorption oder Emission elektromagnetischer Strahlung, besonderen elektrischen Eigenschaften, Magnetismus, antibakteriellen, speziellen katalytischen oder selbstheilenden Eigenschaften. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwei verschiedene Typen von Metallogelen: solche, bei denen metallische Komponenten wie Metallkationen Teil der Netzwerkstruktur sind, sowie solche, in die Metalle nachträglich eingebracht wurden oder in denen diese Teil der im Gel enthaltenen flüssigen Phase sind. Weiterlesen

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

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

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

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

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

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