Themenspecials

Wissenswertes rund um Kunststoff und Kautschuk

Kunststoff und Kautschuk begegnen uns überall im Alltag. Entdecken Sie spannende Geschichten, überraschende Fakten und interessante Hintergründe – von historischen Entwicklungen und bekannten Produkten bis hin zu wichtigen Persönlichkeiten und Innovationen der Branche.

Beiträge (471)

  • Speichenräder automatisch und flexibel aus Verbundwerkstoffen herstellen

    Dr.-Ing. Marcel Bücker (links) und Dr. habil. Thomas Robbert bei der Qualitätskontrolle der fertigen Bauteile. Im Bild zu sehen ist ein Grundkörper für eine Hochleistungsschleifscheibe. Foto: Evolime GmbH / TUK Schon in Fresken im alten Ägypten tauchen sie auf: Speichenräder. In ihrer grundlegenden Form haben sie sich nicht verändert. Sie finden sich bei Fahrrädern, Autos und in der Industrie. Im Sport sind Speichenräder aus leichtem Faser-Kunststoff-Verbund verbreitet. Bislang war die Herstellung mit hohen Kosten verbunden und so für viele Anwendungen unattraktiv. Anders sieht es bei einem neuen Verfahren von Kaiserslauterer Forschern aus: Damit ist eine auf Kundenwünsche zugeschnittene Produktion automatisiert möglich. Die Kaiserslauterer Forscher vermarkten ihre Technologie im neu gegründeten Start-Up Evolime GmbH. Um Speichenräder aus Faser-Kunststoff-Verbund, kurz FKV, zu bauen, braucht es viel Zeit. „Der Prozess ist mit zahlreichen Arbeitsschritten verbunden, auch ist viel davon nur in Handarbeit machbar“, sagt Dr. Marcel Bücker, der sich schon lange mit Faser-Kunststoff-Verbunden befasst. „Darüber hinaus muss hierbei viel von dem teuren Material verwendet werden, da ein großer Anteil an Verschnitt anfällt“, so Bücker weiter. Ganz anders sieht es jedoch bei dem Verfahren aus, das Bücker mit seinen Kollegen Dr. Thomas Robbert, Valentin Hörtdörfer und Frank Belyea am Institut für Verbundwerkstoffe an der Technischen Universität Kaiserslautern entwickelt hat. „Im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen können wir die Räder mit unserem dreistufigen Verfahren wesentlich effizienter herstellen“, erläutert Betriebswirt Robbert. Das Verfahren arbeite außerdem verschnittfrei und habe daher eine sehr gute Umweltbilanz. „Im Kern handelt es sich um ein sogenanntes Nasswickelverfahren, bei dem Fasern automatisiert auf kleine Formteile aufgewickelt und dabei gleichzeitig zu Radstrukturen umgeformt werden“, erklärt Bücker. Zunächst stellen die Ingenieure dazu mit einem 3D-Drucker Formen aus ökologisch abbaubarem Kunststoff her. Die genaue Form gibt dabei ein Computerprogramm vor. Sie kommen im Anschluss bei der Produktion der Räder zum Einsatz und werden auf einer rotierenden Werkzeugplatte mit einem Faserband umwickelt. „Das geht so lange, bis die gewünschte Dicke für die Speichen erreicht ist. Anschließend wird das noch weiche Band zu Speichen umgeformt“, fährt Bücker fort. In einem letzten Schritt wird ein weiteres Faserband um die Speichen gewickelt, sodass ein komplettes Rad entsteht. Nachdem der Kunststoff ausgehärtet ist, werden die Formteile entfernt. Das Speichenrad ist fertig. Das Besondere: Je nach Kundenwünschen kann zum Beispiel die Größe des Rads oder die Anzahl der Speichen beliebig angepasst werden. In vielen Fällen kann dies mit einer eigens entwickelten Software „per Knopfdruck“ erfolgen. So lassen sich sehr schnell individuelle Lösungen für Kunden realisieren. Die starke digitale Integration ermöglicht dem Start-Up sehr kurze Lieferzeiten für verschiedenste Bauteile. Die Vorteile eröffnen den Zugang zu Branchen, für die ein niedriges Gewicht bei hoher Performance entscheidend ist. Anwendungen liegen im Maschinen- und Anlagenbau, wie beispielsweise bei Hochleistungsschleifscheiben oder Zahnrädern für Windkraftgetriebe. Zudem bieten Mobilitätsanwendungen wie Fahrradlaufräder oder Automobilfelgen gute Einsatzmöglichkeiten. Die Kaiserslauterer Forscher vermarkten ihre Idee in ihrem neu gegründeten Start-Up Evolime GmbH. Die Entwicklung bis zur Markreife wird im Rahmen eines EXIST-Forschungstransfers mit dem Namen CompoSpoke durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und den Europäischen Sozialfond gefördert. Darüber hinaus steht ihnen das Gründungsbüro der TU Kaiserslautern und der Hochschule Kaiserslautern beratend zur Seite.

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  • Nanoelektronik lernt wie das Gehirn

    Vor allem Aufgaben aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz verlangen stetig nach leistungsfähigeren und dabei gleichzeitig sparsameren Computerchips, um beispielsweise Robotern das Laufen zu lernen oder präzise automatische Bilderkennung zu ermöglichen. Während die Optimierung herkömmlicher Mikroelektronik immer näher an physikalische Grenzen kommt, zeigt die Natur am Beispiel des Gehirns, wie sich Informationen schnell und energieeffizient verarbeiten und speichern lassen. Wissenschaftlern der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es erstmals gelungen, die Funktionsweise der Neuronen des Gehirns mit Halbleitermaterialien nachzuahmen. Die heute gängige Methode, um die Leistungsfähigkeit von Mikroelektronik weiter zu erhöhen, liegt in der Verkleinerung der Komponenten, insbesondere der einzelnen Transistoren auf den Computerchips aus Silizium. „Das geht aber nicht unendlich – wir benötigen neue Ansätze“, ist sich Larysa Baraban sicher. Die Physikerin, die seit Anfang des Jahres am HZDR arbeitet, ist eine der drei Hauptautoren der internationalen Studie, an der insgesamt sechs Institute beteiligt waren. Ein Ansatz orientiert sich am Gehirn und verbindet Datenverarbeitung mit Datenspeicherung in einem künstlichen Neuron. „Unsere Gruppe hat viel Erfahrung mit biologischen und chemischen elektronischen Sensoren“, fährt Baraban fort. „Deshalb haben wir die Eigenschaften der Neuronen mit den Prinzipien von Biosensoren simuliert und einen klassischen Feldeffekttransistor so verändert, dass ein künstlicher Neurotransistor entsteht.“ Der Vorteil einer solchen Architektur liegt gerade in der gleichzeitigen Speicherung und Verarbeitung von Informationen in ein und demselben Bauelement. Denn diese sind bei herkömmlicher Transistortechnik getrennt, was der Verarbeitungszeit und damit letztendlich auch der Leistungsfähigkeit Grenzen setzt. Siliziumwafer + Polymer = lernfähiger Chip Die Idee, Computer nach dem Vorbild des Gehirns zu entwerfen, ist dabei nicht neu. Bereits vor Jahrzehnten gab es schon Versuche, Nervenzellen in der Petrischale mit Elektronik zu verbinden. „Aber niemand braucht einen nassen Computerchip, der regelmäßig gefüttert werden muss“, gibt Gianaurelio Cuniberti von der TU Dresden zu Bedenken. Der Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik ist zusammen mit dem Dresdner Professor für Grundlagen der Elektrotechnik, Ronald Tetzlaff, und Leon Chua von der University of California in Berkeley, der bereits Anfang der 1970er Jahre ähnliche Bauelemente postuliert hatte, einer der drei geistigen Väter des Neurotransistors. Nun konnten Cuniberti, Baraban und ihr Team ihn umsetzen: „Wir bringen dafür eine zähflüssige Substanz – Solgel genannt – auf einen herkömmlichen Siliziumwafer mit den Schaltungen auf. Dieses Polymer härtet aus und wird zu einer porösen Keramik“, erklärt der Professor für Materialwissenschaft. „Zwischen den Löchern bewegen sich Ionen. Sie sind schwerer als Elektronen und springen nach einer Anregung langsamer auf ihre Position zurück. Diese Verzögerung nennt man Hysterese und die ist für den Speichereffekt verantwortlich.“ Das hat entscheidenden Einfluss auf die Funktionsweise, erläutert Cuniberti. „Je stärker der einzelne Transistor angeregt wird, umso eher öffnet er und lässt den Strom fließen. Damit verstärkt sich die entsprechende Verbindung. Das System lernt.“ Cuniberti und sein Team zielen dabei weniger auf herkömmliche Problemstellungen ab. „Computer auf Basis unseres Chips wären weniger präzise und würden mathematische Berechnungen eher schätzen als bis in die letzte Nachkommastelle zu berechnen“, erklärt der Wissenschaftler. „Aber sie wären intelligenter. Ein Roboter mit solchen Prozessoren würde damit beispielsweise laufen oder greifen lernen, ein optisches System besitzen und lernen, Zusammenhänge zu erkennen. Und das alles, ohne Software entwickeln zu müssen.“ Das sind aber nicht die einzigen Vorteile neuromorpher Computer. Dank ihrer sogenannten Plastizität, die der des menschlichen Gehirns ähnelt, können sie sich im laufenden Betrieb an veränderte Aufgabenstellungen anpassen und auch solche Probleme lösen, für die sie ursprünglich nicht programmiert wurden. Referenz E. Baek, N. R. Das, C. V. Cannistraci, T. Rim, G. S. Cañón Bermúdez, K. Nych, H. Cho, K. Kim, C.-K. Baek, D. Makarov, R. Tetzlaff, L. Chua, L. Baraban, G. Cuniberti: Intrinsic plasticity of silicon nanowire neurotransistors for dynamic memory and learning functions, in Nature Electronics, 2020 (DOI: 10.1038/s41928-020-0412-1)

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  • Biobasierte Kunstharze aus Hemicellulose

    Auf die Hemicellulose-Fraktion aus Nebenströmen der Zellstoff- und Biokraftstoffindustrie hat es das EU-Projekt BioSPRINT abgesehen. Sie sollen effizienter gereinigt, aufgearbeitet und zu Zuckern umgewandelt werden, die als Grundlage für neue biobasierte Kunstharze dienen und damit fossile Polymere ersetzen sollen. Das EU-Projekt startete am 1. Juni 2020. BioSPRINT konzentriert sich dafür auf vier Forschungs- und Entwicklungsbereiche. Im ersten Schritt sollen die Prozesse zur Gewinnung und Aufreinigung der Hemicellulose-Ströme intensiviert werden. Dann folgen die katalytische Umwandlung, die Aufreinigung der Zwischenprodukte und in der letzten Stufe die Polymerisation. Bei der Entwicklung der integrierten Aufreinigungsstrategie sollen innovative Anti-Solvent-Fällungsmethoden und Membrantrennverfahren zum Einsatz kommen. Im Bereich der Katalyse stehen intensivierte und integrierte Katalyseverfahren zur Dehydrierung von C5- und C6-Hemicellulose-Zuckern zu Monomeren und Extraktiv-Reaktionen ebenso im Fokus wie intensivierte Polymerisationsverfahren für Furan-Derivate. Letztlich sollen im Rahmen des Projekts in den nächsten vier Jahren die Betriebskosten und der Rohstoff- und Energieeinsatz reduziert und gleichzeitig die Ausbeuten und die Betriebssicherheit erhöht werden. Hierzu werden die Arbeiten durch ein integriertes Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) begleitet. Die Reststoffströme werden von Projektpartnern wie Fraunhofer und UPM zur Verfügung gestellt; zusätzlich soll eine Fallstudie an einem Reststoffstrom der Firma Clariant erstellt werden. Insgesamt beteiligen sich 12 Partner an dem von der DECHEMA koordinierten Projekt, das ein Finanzvolumen von 6,1 Millionen Euro umfasst: • AEP Polymers SRL (Italien) • Dynamic & Security Computations SL (Spanien) • EBOS Technologies Limited (Zypern) • DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (Deutschland) • Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (Deutschland) • IFEU – Institut für Energie und Umweltforschung Heidelberg GmbH (Deutsch-land) • IRIS Technology Solutions, Sociedad Limitada (Spanien) • Kemijski Institut (Slowenien) • Maturus Optimi BV (Niederlande) • Oulun Yliopisto (Finnland) • Prefere Resins Germany GMBH (Deutschland) • University of Newcastle upon Tyne (Großbritannien) • UPM-Kymmene Oyj (Finnland)

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  • Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

    Die Illustration zeigt zwei Supra-Flüssigkeiten, die durch eine Barriere getrennt sind. Ihre Wellennatur ermöglicht den suprafluiden Teilchen zwischen beiden Seiten hin und her zu oszillieren. Foto: Electron Studios/UHH, Moritz Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können. Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise erlaubt die Quantenmechanik dies jedoch, vorausgesetzt, die Barriere zwischen den zwei Flüssigkeiten ist dünn genug. Durch den quantenmechanischen Tunneleffekt können Teilchen die Barriere durchdringen, selbst wenn die Barriere höher als der Pegel der Flüssigkeiten ist. Noch bemerkenswerter ist, dass dieser Teilchenstrom sogar fließen kann, wenn der Pegel auf beiden Seiten gleich hoch ist oder der Strom geringfügig bergauf fließen muss. Dazu müssen die Flüssigkeiten auf beiden Seiten allerdings Suprafluide sein: Sie müssen also reibungsfrei um Hindernisse herum fließen können. Vorausgesagt wurde dieses frappierende Phänomen von dem britischen Physiker Brian Josephson noch während seiner Doktorarbeit 1962. Es ist von so fundamentaler Bedeutung, dass er dafür 1973 den Nobelpreis erhielt. Getrieben wird der Strom nur durch die Wellennatur der Suprafluide. Er kann unter anderem dafür sorgen, dass das Suprafluid anfängt, zwischen beiden Seiten hin und her zu oszillieren – ein Phänomen, das als Josephson-Oszillationen bekannt ist. Der Josephson-Effekt wurde 1962 auch erstmals zwischen zwei Supraleitern beobachtet. In dem Experiment konnte – in direkter Analogie zum Wasserfluss ohne Pegelunterschied – ein elektrischer Strom ohne Spannungsdifferenz durch einen Tunnelkontakt fließen. Mit dieser Entdeckung wurde der eindrucksvolle Nachweis erbracht, dass die Wellennatur der Materie in Supraleitern selbst in größeren, mit dem Auge sichtbaren Objekten, zu beobachten ist. Nun ist es den Wissenschaftlern in der Gruppe von Prof. Henning Moritz erstmals gelungen, Josephson-Oszillationen in einem zweidimensionalen (2D) Fermigas zu beobachten. Diese Fermigase bestehen aus einem „Hauch von Nichts“, nämlich einer Gaswolke von wenigen tausend Atomen. Wenn sie bis auf einige Millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühlt werden, werden sie suprafluide. Mit ihnen kann man nun Suprafluide untersuchen, in denen die Teilchen stark miteinander wechselwirken und sich nur in zwei Dimensionen bewegen können – eine Kombination, die zentral für die bislang nur unvollständig verstandene Hochtemperatursupraleitung zu sein scheint. „Wir waren erstaunt, wie klar die Josephson-Oszillationen in unserem Experiment zu sehen waren. Das ist ein eindeutiger Nachweis für die sogenannte Phasenkohärenz in unserem ultrakalten 2D-Fermigas, also der Tatsache, dass die Wellen auf beiden Seiten der Barriere synchron schwingen", sagt Erstautor Niclas Luick vom Institut für Laserphysik an der Universität Hamburg. „Der hohe Grad an Kontrolle über unser System hat es uns außerdem ermöglicht, die kritische Stromstärke zu vermessen, oberhalb derer die Suprafluidität zusammenbricht." „Dieser Durchbruch eröffnet uns viele neue Möglichkeiten, Einblicke in die Natur stark korrelierter 2D-Suprafluide zu gewinnen", ergänzt Prof. Dr. Henning Moritz, ebenfalls vom Institut für Laserphysik an der Universität Hamburg. „Diese Systeme sind von herausragender Bedeutung in der modernen Physik, aber nur sehr schwer theoretisch zu simulieren. Wir freuen uns, mit unserem Experiment dazu beizutragen, diese Quantensysteme besser zu verstehen." Referenz Niclas Luick, Lennart Sobirey, Markus Bohlen, Vijay Pal Singh, Ludwig Mathey, Thomas Lompe, Henning Moritz: An ideal Josephson junction in an ultracold two-dimensional Fermi gas. Science (2020), DOI: 10.1126/science.aaz2342 https://science.sciencemag.org/content/369/6499/89

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  • Löchrige Graphenbänder mit Stickstoff für Elektronik und Quantencomputing

    Auf einer Silberoberfläche lässt sich durch Erhitzen aus den einzelnen Bausteinen ein löchriges Graphenband synthetisieren, das halbleitende Eigenschaften aufweist. Foto: Universität Basel, Departement Physik Ein Team von Physikern und Chemikern hat erstmals löchrige Graphenbänder hergestellt, bei denen ausserdem bestimmte Kohlenstoffatome des Kristallgitters durch Stickstoffatome ersetzt sind. Diese Bänder besitzen halbleitende Eigenschaften, die sie für Anwendungen in der Elektronik und im Quantencomputing interessant machen, wie Forschende der Universitäten Basel, Bern, Lancaster und Warwick im Fachmagazins "Journal of the American Chemical Society" berichten. Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen in wabenartiger Anordnung. Es ist sowohl in der Grundlagenforschung wie auch für verschiedene Anwendungen interessant, da es über besondere Eigenschaften verfügt. So ist Graphen ein hervorragender elektrischer Leiter und besitzt eine erstaunlich grosse Festigkeit und Steifheit. Forschungsteams weltweit sind dabei, die Palette seiner besonderen Merkmale noch zu erweitern, indem sie Kohlenstoffatome des Gitters durch andere Atome ersetzen. Auch durch die Bildung von Löchern im Kristallgitter können sie die elektrischen und magnetischen Eigenschaften modifizieren. Leiter-ähnliche Struktur Einem Team von Forschenden um den Physiker Prof. Dr. Ernst Meyer von der Universität Basel und um die Chemikerin Dr. Shi-Xia Liu von der Universität Bern ist es nun erstmal gelungen, Graphenbänder herzustellen, die sowohl periodisch mit Löchern versehen sind wie auch regelmässig Stickstoffatome im Kristallgitter besitzen. Die Struktur des neuen Materials sieht dabei aus wie eine Leiter, wobei jede Sprosse zwei Stickstoffatome enthält. Die Forschenden synthetisieren diese stickstoffhaltigen, löchrigen Graphenbänder auf einer Silberoberfläche. Sie erhitzen schrittweise die einzelnen Bausteine auf der Oberfläche im Vakuum. Bei Temperaturen von 220°Celsius bilden sich die erwünschten Bänder. Die Wissenschaftler konnten mittels Rasterkraftmikroskopie die einzelnen Syntheseschritte verfolgen und die perfekte Leiterstruktur des Moleküls sowie seine Beständigkeit bestätigen. Aussergewöhnliche Eigenschaften Durch tunnelspektroskopische Analysen zeigten die Basler Wissenschaftler vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute zudem, dass diese neuen Graphenbänder keine elektrischen Leiter mehr sind wie reines Graphen, sondern sich wie Halbleiter verhalten. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften durch Kollegen der Universitäten Bern und Warwick bestätigten diese Ergebnisse. "Für elektronische Anwendungen sind die halbleitenden Eigenschaften sehr wichtig, da sich ihre Leitfähigkeit spezifisch einstellen lässt", betont Dr. Rémy Pawlak, Erstautor der Studie. Wie aus der Literatur bekannt, bewirkt eine hohe Konzentration an Stickstoffatomen im Kristallgitter, dass sich die Graphenbänder in einem Magnetfeld magnetisieren. "Wir erwarten aussergewöhnliche magnetische Eigenschaften dieser löchrigen, mit Stickstoff dotierten Graphenbänder", kommentiert Ernst Meyer. «Daher könnten die Bänder in Zukunft für Quantencomputing-Anwendungen von Interesse sein.» Referenz Rémy Pawlak, Xunshan Liu, Silviya Ninova, Philipp D’Astolfo, Carl Drechsel, Sara Sang-tarash, Robert Häner, Silvio Decurtins, Hatef Sadeghi, Colin J. Lambert, Ulrich Aschauer, Shi-Xia Liu, and Ernst Meyer Journal of the American Chemical Society (2020), doi: 10.1021/jacs.0c03946 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03946

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  • Unterstützung der Medizin in Corona-Zeiten

    Arzt Dr. Oliver Mick vom HNO-Zentrum Oldenburger Münsterland in Cloppenburg zeigt sich während einer OP mit dem neuen Face Shield hoch zufrieden. Foto: HNO Zentrum Oldenburger Münsterland In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt der Universität Osnabrück und der Fachhochschule Südwestfalen sollen Personen angesprochen und vernetzt werden, die in ihrer Freizeit mithilfe von 3D-Druckern technische und medizinische Materialien produzieren Deshalb fand vom 3. bis 5. Juli der erste digitale Open Photonik Pro Make@thon statt. Als Sieger wurde dabei die Idee eines Teilnehmers aus Nordrhein-Westfalen gekürt. Das öffentliche Leben wird nach wie vor zu großen Teilen von der COVID-19-Pandemie bestimmt. Während ein Mund- und Nasenschutz in vielen Fällen als guter Schutz vor der Ansteckung mit dem Corona-Virus dient, sind für viele Berufsfelder weiterführende Maßnahmen vonnöten. Hierbei ist zum Beispiel medizinisches Fachpersonal zu nennen, das auf das Tragen sogenannter „Face-Shields“ angewiesen ist. Unter Face-Shields werden Schilde verstanden, die mithilfe einer Kunststofffolie das Gesicht so bedecken, dass ein guter Spuckschutz gegeben ist. Von vielen Personen, die auf solche Face-Shields angewiesen sind, werden allerdings Tragekomfort und Funktionalität bemängelt, besonders, wenn eine längere Nutzung des Gesichtsschutzes notwendig ist. Vor rund zwei Monaten wurde die Initiative „Maker vs. Virus“ gegründet. Als „Maker“ bezeichnet man Tüftler, die in ihrer Freizeit pragmatische Lösungen für zumeist technische Probleme entwickeln. Diese Maker finden sich oft in so genannten Hubs zusammen, in denen auftretende Probleme besprochen und Ideen weiterentwickelt werden. Der Hub „Maker vs. Virus“ vernetzt dabei Maker, die sich zum Ziel gesetzt haben, unter anderem FaceShields zu produzieren, um diese kostenlos an Einrichtungen wie zum Beispiel Krankenhäuser zu verteilen. Eine Besonderheit der Maker-Szene ist, dass viele Ideen mithilfe von 3D-Druckern umgesetzt werden, die in der Lage sind, filigrane Objekte aus Kunststoff selbst herzustellen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat nun in der bereits bestehenden Initiative Open Photonik Pro, in deren Fokus die Entwicklung von Open-Source Software/Hardware Lösungen für das industrielle Umfeld steht, eine Erweiterung für die Bekämpfung der Corona-Pandemie bereitgestellt. Damit sollen Maker auf neuen Wegen miteinander in Verbindung gebracht werden, um FaceShields und weitere dringend benötigte medizinische Ausrüstung und medizinische Materialien (weiter) zu entwickeln. Ein kooperatives Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Osnabrück (Prof. Dr. Mirco Imlau und Prof. Dr. Marco Beeken) und der Fachhochschule Südwestfalen (Prof. Dr. Dirk Berben) hat sich zusammengefunden, um Vernetzungsmöglichkeiten für diese Maker zu realisieren und an der Entwicklung moderner und vor allem kostengünstiger medizinischer Materialien zu arbeiten. Bei diesem das bundesweit ersten digitalen Open Photonik Pro Make@thonkonntendie Teilnehmenden einerseits einen Aufsatz für OP-Stirnlampen, andererseits eine vollständig 3D-gedruckte OP-Stirnlampe mit Face-Shield entwickelten. Insgesamt acht Beiträge lagen der siebenköpfigen Jury am Ende zur Begutachtung vor. „Die Entscheidung ist uns nicht leicht gefallen, da alle Beiträge viele Vorzüge hatten und letztendlich nur Nuancen entschieden haben. Als Sieger kürten wir die Idee von Kevin Würfel, bei der das Face-Shield oberhalb der Stirnlampe angebracht wird und dem Operateur so die größtmögliche Flexibilität verschafft. So können sogar OP-Brillen und Lupenlampen ohne großen Aufwand in das System integriert werden“, so Prof. Dr. Marco Beeken vom Institut Neuer Materialien, Kooperationspartner in dem Projekt. Bereits einen Tag nach dem Make@thon wurde das neue Face Shield im Operationssaal getestet. Der praktizierende Arzt Dr. Oliver Mick vom HNO-Zentrum Oldenburger Münsterland in Cloppenburg zeigte sich mit dem Ergebnis hochzufrieden und möchte das Face Shield nun auch für kommende Operationen verwenden. Im Laufe eines Jahres sollen weitere Make@thons stattfinden, bei denen medizinische Ausrüstung mithilfe von 3D-Druckern entwickelt und verbessert werden soll, um in der Corona-Krise individuelle Lösungen für neue Probleme zu finden. Der nächste Make@thon findet vom 23. bis 25. August dieses Jahres statt.

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  • Graphen: Auf den Belag kommt es an

    Um das Potential des „Wundermaterials“ Graphen voll ausschöpfen zu können, muss man es mit anderen Materialien kombinieren. Eine neue Studie beobachtet nun, was dabei wichtig ist. Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen. Außergewöhnliche elektronische, thermische, mechanische und optische Eigenschaften haben Graphen zu einem der derzeit wohl meistuntersuchten Materialien gemacht. Für viele Anwendungen in Elektronik und Energietechnik muss das Graphen allerdings mit anderen Materialien kombiniert werden: Da Graphen so dünn ist, ändern sich seine Eigenschaften drastisch, wenn andere Materialien damit in direkten Kontakt gebracht werden. Graphen auf molekularer Ebene mit anderen Materialien zu kombinieren ist allerdings schwierig: Die Art, wie Graphen mit anderen Materialien interagiert, hängt nicht nur davon ab, welches Material man wählt, sondern auch davon, wie diese Materialien auf das Graphen aufgebracht werden. Man klebt nicht eine fertige Materialschicht an das Graphen, sondern man bringt die passenden Atome so mit dem Graphen in Kontakt, dass sie sich direkt dort zusammenfügen und auf dem Graphen in der gewünschten Kristallstruktur „aufwachsen“. Bisher waren die Mechanismen des „Wachstums“ von diesen anderen Materialien auf Graphen oft unklar. In einer neuen gemeinsamen Studie von Forschungsteams der TU Wien und der Universität Wien konnte man nun erstmals beobachten, wie das Material Indiumoxid auf Graphen aufwächst. Die Kombination von Indiumoxid mit Graphen ist wichtig, beispielsweise für Displays und Sensoren. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Advanced Functional Materials“ präsentiert. Graphen-Pizza „Wie bei einer Pizza kommt es in Graphentechnologie nicht nur auf den Graphen-Pizzaboden sondern auch auf dessen Belag an“, erklärt Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie der TU Wien, der Leiter der Studie. „Wie dieser Belag aufs Graphen aufgebracht wird, ist allerdings entscheidend.“ Meist lässt man Atome im gasförmigen Zustand auf dem Graphen kondensieren. Im Fall von Indiumoxid sind dies Indium und Sauerstoff. „Es gibt aber viele Parameter wie Hintergrunddruck, Temperatur oder die Geschwindigkeit, mit der man diese Atome aufs Graphen aufbringt, die das Ergebnis drastisch beeinflussen“, sagt Bernhard Bayer. „Daher ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis zu entwickeln, welche chemischen und physikalischen Vorgänge dabei genau ablaufen. Dazu muss man den Bedeckungsprozess aber beobachten.“ Genau dies ist dem Forschungsteam jetzt gelungen: Im Elektronenmikroskop wurden erstmals die einzelnen Schritte des Wachstums von Indiumoxid auf Graphen beobachtet. Dabei konnte eine Auflösung erzielt werden, die einzelne Atome klar abbildet. Zufällig verteilt oder perfekt am richtigen Ort „Besonders interessant war für uns dabei die Beobachtung, dass sich je nach Hintergrunddruck die Indiumoxidkristallite auf dem Graphen-Kristallgitter entweder willkürlich anordnen oder aber wie ein Legostein auf dem anderen einrasten. Dieser Unterschied in der Anordnung kann einen großen Einfluss auf die Anwendungseigenschaften der kombinierten Materialien machen“, sagt Kenan Elibol, Erstautor der Studie. Die neuen Erkenntnisse sollen in Zukunft genutzt werden, um die Kombination von Graphen mit anderen Materialien planbarer und kontrollierbarer für die jeweiligen Anwendungsanforderungen zu machen. Referenz Elibol et al., Process Pathway Controlled Evolution of Phase and Van-der-Waals Epitaxy in In/In2O3 on Graphene Heterostructures, Advanced Functional Materials, 2020, early view, https://doi.org/10.1002/adfm.202003300

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  • Gewellte Oberflächen für bessere Lichtkontrolle

    Mit ei­ner heis­sen Ras­ter­son­de her­ge­stell­tes Beu­gungs­git­ter. Die ro­te Li­nie zeigt das Ober­flä­chen­pro­fil des Git­ters. (Bild: ETH Zü­rich / No­lan Las­sa­li­ne) Wissenschaftler der ETH Zürich haben ein Verfahren zur Herstellung von gewellten Oberflächen mit Nanometer-Präzision entwickelt. Damit können in Zukunft zum Beispiel optische Bauteile, die zur Datenübertragung im Internet verwendet werden, noch leistungsfähiger und kompakter werden. Wie wichtig auf Licht basierende Technologien für unsere Gesellschaft sind, wurde in den letzten Wochen wieder deutlich. Dank des Internets können Millionen Menschen im Homeoffice arbeiten, in virtuelle Klassenräume eintreten oder mit Verwandten und Freunden sprechen. Das Internet wiederum verdankt seine Leistungsfähigkeit unzähligen Lichtpulsen, mit denen über Glasfasern enorme Datenmengen rund um den Globus verschickt werden. Um diese Lichtpulse zu lenken und zu kontrollieren, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Eine der ältesten und wichtigsten ist das Beugungsgitter, mit dem verschiedenfarbiges Licht in genau vorbestimmte Richtungen abgelenkt wird. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, das Design und die Herstellung von Beugungsgittern zu verbessern und die Gitter den anspruchsvollen Anwendungen von heute anzupassen. An der ETH Zürich haben Forschende um David Norris, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, eine völlig neue Methode entwickelt, mit der effizientere und präzisere Beugungsgitter hergestellt werden können. Sie taten dies gemeinsam mit Kollegen, die jetzt an der Universität Utrecht arbeiten, und der Firma Heidelberg Instruments Nano, die als ETH-Spin-off SwissLitho gegründet wurde. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Wissenschaftszeitschrift Nature [http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2390-x]. Interferenz durch Rillen Beugungsgitter beruhen auf dem Prinzip der Interferenz. Wenn eine Lichtwelle auf eine gerillte Oberfläche fällt, so wird sie in viele kleinere Wellen aufgeteilt, die jeweils von einer Rille ausgehen. Wenn diese Wellen die Oberfläche verlassen, können sie sich entweder gegenseitig verstärken oder auslöschen, je nach ihrer Ausbreitungsrichtung und Wellenlänge (die mit ihrer Farbe zusammenhängt). Dies erklärt, warum die Oberfläche einer mit weissem Licht beleuchteten CD, auf der Daten in feinen Rillen gespeichert sind, einen Regenbogen an reflektierten Farben erzeugt. Damit ein Beugungsgitter richtig funktioniert, müssen seine Rillen einen ähnlichen Abstand haben wie die Wellenlänge des Lichts, also in etwa einen Mikrometer – hundertmal kleiner als ein menschliches Haar. "Traditionell werden diese Rillen mit Herstellungsmethoden der Mikroelektronik in die Materialoberfläche geätzt", sagt Nolan Lassaline, Doktorand in Norris’ Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie. "Das bedeutet allerdings, dass die Rillen des Gitters treppenartig-kantige Seitenwände haben. Andererseits sagt uns die Physik, dass die Rillen glatt und gewellt sein sollten wie die gekräuselte Wasseroberfläche eines Sees." Mit traditionellen Verfahren hergestellte Rillen können daher nur eine grobe Näherung darstellen, was zur Folge hat, dass das Beugungsgitter Licht weniger effizient lenkt. Dank eines völlig neuen Ansatzes haben Norris und seine Mitarbeiter nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Oberflächenbearbeitung mit heisser Sonde Ihr Ansatz beruht auf einer Technologie, die ebenfalls aus Zürich stammt. "Unsere Methode ist sozusagen ein Urenkel des Rastertunnelmikroskops, das die späteren Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vor knapp vierzig Jahren in Zürich erfunden haben", sagt Norris. In einem solchen Mikroskop werden Materialoberflächen mittels einer extrem spitzen Sonde mit hoher Auflösung abgetastet. Die so entstandenen Bilder zeigen sogar einzelne Atome des Materials. Umgekehrt kann man die spitze Sonde aber auch benutzen, um ein Material damit zu bearbeiten und so gewellte Oberflächen herzustellen (siehe Bild). Dazu heizen die Forscher die Spitze einer Rastersonde auf fast 1000 Grad Celsius und drücken sie an bestimmten Stellen in eine Polymerschicht. Dadurch brechen die Moleküle des Polymers an diesen Stellen auseinander und verdampfen, wodurch die Oberfläche präzise geformt werden kann. Punkt für Punkt können die Wissenschaftler so beliebige Oberflächenprofile mit einer Auflösung von wenigen Nanometern in die Polymerschicht schreiben. Zum Schluss wird eine Silberschicht auf das Polymer aufgedampft und das Profil so auf ein optisches Material übertragen. Die Silberschicht kann dann vom Polymer abgelöst und als reflektierendes Beugungsgitter verwendet werden kann. "Auf diese Weise können wir beliebig geformte Beugungsgitter mit einer Auflösung von wenigen Atomabständen in der Silberschicht herstellen", sagt Norris. Anders als bei den traditionellen kantigen Rillen sind solche Gitter sind nun keine Näherungen mehr, sondern praktisch perfekt, und sie lassen sich so formen, dass die Interferenz der reflektierten Lichtwellen präzise kontrollierbare Muster bildet. Eine Vielzahl von Anwendungen Solche perfekten Beugungsgitter eröffnen neue Möglichkeiten der Lichtkontrolle, die zu einer Reihe von Anwendungen führen, sagt Norris: "Die neue Technik kann beispielsweise dazu verwendet werden, winzige Beugungsgitter in integrierte Schaltkreise einzubauen, mit denen optische Signale für das Internet noch effizienter gesendet, empfangen und verteilt werden können." Lassaline fügt hinzu: "Generell können wir mit solchen Beugungsgittern stark miniaturisierte optische Geräte wie etwa Mikro-Laser herstellen, die in einen Chip integriert sind." Diese miniaturisierten Geräte, sagt er, reichen von ultra-dünnen Kameralinsen bis hin zu kompakten Hologrammen mit schärferen Bildern. Sie werden voraussichtlich verschiedenste optischen Technologien beeinflussen, wie etwa futuristische Handykameras, Biosensoren oder autonomes maschinelles Sehen für Roboter und selbstfahrende Autos. Referenz Lassaline N, Brechbühler R, Vonk SJW, Ridderbeek K, Spieser M, Bisig S, le Feber B, Rabouw FT, Norris DJ: Optical Fourier surfaces. Nature (2020), http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2390-x

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  • Süßes oder saures Erdgas: Polyimid-Membranen für die Reinigung von Erdgas

    Gaspipeline. Foto: istock / ssuaphoto Erdgas, das größere Mengen an Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) enthält, wird als Sauergas bezeichnet. Bevor es in die Pipeline darf, muss es „gesüßt“, d.h. die sauer reagierenden Verunreinigungen abgetrennt werden. Durch Abstimmung des Verhältnisses zweier molekularer Bausteine lassen sich maßgeschneiderte Polyimid-Membranen herstellen, die für die Reinigung von Sauergas über einen breiten Bereich von Gaszusammensetzungen geeignet sind, wie Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan (CH4). Sauergas enthält mit Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) Verunreinigungen, die mit Feuchtigkeit sauer reagieren und stark korrosiv wirken, das hochgiftige H2S stellt zudem ein Sicherheitsrisiko dar. Das „Süßen“ erfolgt heute meist durch eine energieintensive Gaswäsche, die bei hohen CO2- und H2S-Konzentrationen nicht wirtschaftlich arbeitet und für abgelegene und Offshore-Anwendungen ungeeignete große, komplexe Apparate benötigt. Eine Alternative sind skalierbare, ökonomisch arbeitende Membran-Trennungen. Erdgas, das größere Mengen Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthält, muss, bevor es in die Pipeline darf, "gesüßt" werden - d.h. die sauer reagierenden Verunreinigungen werden abgetrennt. Bei der Reinigung von Sauergas helfen Polyimid-Membranen. Abb. Wiley-VCH Membranen auf Basis glasartiger Polyimide – Polymere, die aus speziellen stick- und sauerstoffhaltigen Bausteinen aufgebaut sind – zeigen gute Trennleistungen. Dennoch fehlte es bisher an einem grundlegenden Verständnis der Beziehungen zwischen den Strukturen der Polyimide und ihren Gastransport-Eigenschaften in Gegenwart von H2S, was der Entwicklung hocheffizienter Membranen entgegenstand. Das Team um William J. Koros vom Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) hat sich dieser Thematik jetzt angenommen. Membrantrennungen beruhen darauf, dass Gase mit höherer Löslichkeit das Membranmaterial leichter passieren; allerdings können auch kleinere Gasmoleküle schneller durch die Membran diffundieren. Die Herausforderung beim Süßen liegt darin, dass die CO2-Abtrennung vor allem auf Größenunterschieden basiert (CO2 ist kleiner als CH4), die Trennung der ähnlich großen Moleküle H2S und CH4 dagegen auf Löslichkeitsunterschieden. Zudem beginnt die glasartige Polyimid-Membran mit zunehmender Menge an gelösten Gasen zu erweichen: günstig für die Abtrennung von H2S, ungünstig für die von CO2. Für ihre Tests stellten die Forscher Polyimide auf der Basis von 6FDA (4,4'-(Hexafluorisopropyliden)-Diphthalsäureanhydrid) her. Sie verwendeten zwei verschiedene 6FDA-Bausteine, die sie in unterschiedlichen Mengenverhältnissen polymerisierten. Der eine Baustein (DAM) bringt eine sperrige Trimethyl-Benzol-Gruppe ein, die verhindert, dass die Polymerketten dicht gepackt vorliegen. Sowohl die Gasdurchlässigkeit als auch die Neigung zu erweichen werden erhöht. Der andere Baustein (DABA) enthält eine polare Benzoesäure-Gruppe. Sie festigt die Kettenpackung, die Durchlässigkeit nimmt ab, aber die Löslichkeit von H2S wird erhöht. Je höher der Anteil an DAM, desto höher die Durchlässigkeit für CO2, allerdings auch für Methan, die Selektivität nimmt ab. Im Falle von H2S wird die Selektivität dagegen kaum beeinträchtigt. Je mehr DAM, desto stärker die Erweichung des Polymers – ungünstig für CO2, günstig für H2S. Über eine Feinjustierung der Mengenverhältnisse der Bausteine lassen sich die Packung der Polymerketten und die Plastifizierungsneigung so austarieren, dass Membranen entstehen, die gleichzeitig H2S und CO2 effizient abtrennen. Für verschiedene Erdgaszusammensetzungen lassen sich so Membranen maßschneidern. Referenz Zhongyun Liu, Yang Liu, Wulin Qiu und William J. Koros, Molecularly Engineered 6FDA‐Based Polyimide Membranes for Sour Natural Gas Separation, Angewandte Chemie (2020), https://doi.org/10.1002/ange.202003910

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  • Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

    Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos. Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die Übertragung von Signalen nicht zu beeinflussen. Hochfrequente elektromagnetische Felder können nur mit allseitig geschlossenen, leitfähigen Hüllen abgeschirmt werden. Oft werden dafür dünne Bleche oder metallbedampfte Folien verwendet. Doch für viele Anwendungen ist eine solche Abschirmung zu schwer oder zu schlecht auf die gegebene Geometrie adaptierbar. Ideal wäre ein leichtes, flexibles und langlebiges Material mit extrem hoher Abschirmwirkung. Aerogele gegen elektromagnetische Strahlung Eine Probe des an der Empa hergestellten elektromagnetischen Abschirmmaterials – ein Kompositwerkstoff aus Zellulose-Nanofasern und Silber-Nanodrähten. Foto: Empa Ein Durchbruch in diesem Bereich gelang nun einem Forscherteam um Zhihui Zeng und Gustav Nyström. Die Forscher nutzen Nanofasern aus Zellulose als Basis für ein Aerogel, ein leichtes, hochporöses Material. Zellulosefasern werden aus Holz gewonnen und ermöglichen aufgrund ihrer chemischen Struktur vielfältige chemische Modifikationen. Sie sind darum ein begehrtes Forschungsobjekt. Entscheidend bei der Verarbeitung und Modifikation dieser Zellulose-Nanofasern ist, dass man bestimmte Mikrostrukturen definiert herstellen kann und die dadurch erzielten Effekte zu interpretieren weiss. Diese Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften sind genau das Forschungsgebiet von Nyströms Team an der Empa. Den Forschern gelang es, eine Mixtur aus Zellulose-Nanofasern und Silber-Nanodrähten herzustellen und damit ultraleichte Feinstrukturen zu erzeugen, die elektromagnetische Strahlung hervorragend abschirmen. Beeindruckend ist dabei die schiere Wirkung des Materials: Bei einer Dichte von nur 1,7 Milligramm pro Kubikzentimeter erzielt das silberverstärkte Zellulose-Aerogel im Frequenzbereich von hochauflösender Radarstrahlung (8 bis 12 GHz) mehr als 40 dB Abschirmung – mit anderen Worten: Nahezu die gesamte Strahlung in diesem Frequenzbereich wird vom Material abgefangen. Eiskristalle steuern die Form Entscheidend für die abschirmende Wirkung ist nicht nur die korrekte Mischung aus Zellulose und Silberdrähtchen, sondern auch die Porenstruktur des Materials. Innerhalb der Poren werden die elektromagnetischen Felder hin und her reflektiert und lösen zusätzlich im Composite-Material elektromagnetische Felder aus, die dem eingestrahlten Feld entgegenwirken. Um zu Poren mit optimaler Grösse und Form zu gelangen, giessen die Forscher das Material in vorgekühlte Formen und lassen es langsam ausfrieren. Das Wachstum der Eiskristalle erzeugt die für die Dämpfung der Felder optimale Porenstruktur. Mit dieser Herstellungsmethode lässt sich die Dämpfungswirkung sogar in verschiedene Raumrichtungen spezifizieren: Wenn das Material von unten nach oben in der Gussform ausfriert, fällt die elektromagnetische Dämpfung in vertikaler Richtung geringer aus. In horizontaler Richtung – also rechtwinklig zur Gefrier-Richtung – wird die Dämpfung optimiert. Die so gegossenen Abschirm-Strukturen sind höchst flexibel: Selbst nach tausendfachem hin- und herbiegen ist die dämpfende Wirkung praktisch gleich gross wie beim Neumaterial. Die gewünschte Absorption kann sogar noch leicht angepasst werden durch eine Zugabe von mehr oder weniger Silber-Nanodrähten in die Mixtur, durch die Porosität des gegossenen Aerogels und die Dicke der gegossenen Schicht. Der leichteste elektromagnetische Schirm der Welt In einem weiteren Experiment liessen die Forscher die Silber-Nanodrähte aus der Mixtur weg und verbanden ihre Zellulose-Nanofasern mit zweidimensionalen Nanoplättchen aus Titancarbid, die mit Hilfe eines speziellen Ätzprozesses hergestellt wurden. Die Nanoplättchen wirken wie harte "Ziegel", die mit flexiblem "Mörtel" aus Zellulosefasern miteinander verbunden werden. Auch diese Mixtur wurde in gekühlten Formen zielgerichtet eingefroren. Bezogen auf das Materialgewicht lässt sich eine derartige Abschirmung mit keinem anderen Material erreichen. Damit ist das Titancarbid-Nanocellulose-Aerogel das bei weitem leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt. Referenzen [1] Z Zeng, T Wu, D Han, Q Ren, G Siqueira, G Nyström; Ultralight, Flexible, and Biomimetic Nanocellulose/Silver Nanowire Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding; ACS Nano (2020); doi: 10.1021/acsnano.9b07452 [2] Z Zeng, C Wang, G Siqueira, D Han, A Huch, S Abdolhosseinzadeh, J Heier, F Nüesch, CJ Zhang, G Nyström; Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance; Advanced Science (2020); doi: 10.1002/advs.202000979

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  • Supercomputer entschlüsseln Materialverschleiß

    Revolutionäre neue Methoden für die Materialwissenschaft: Riesengroße Computersimulationen erlauben an der TU Wien erstmals einen genauen Blick auf Verschleiß und Reibung. Verschleiß und Reibung sind ganz entscheidende Themen für viele Industriebereiche: Was passiert, wenn eine Oberfläche über eine andere gleitet? Mit welchen Materialveränderungen muss man dabei rechnen? Was bedeutet das für die Haltbarkeit und Sicherheit von Maschinen? Was dabei auf atomarer Ebene passiert, lässt sich nicht direkt beobachten. Nun steht dafür allerdings ein neues zusätzliches wissenschaftliches Werkzeug zur Verfügung: Aufwändige Computersimulationen werden nun erstmals so leistungsfähig, dass man Verschleiß und Reibung realer Werkstoffe auf atomarer Skala simulieren kann. Dass diese neue Forschungsrichtung nun verlässliche Ergebnisse liefert, beweist das Tribologie-Team an der TU Wien, geleitet von Prof. Carsten Gachot (Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung) nun in einer aktuellen Publikation im renommierten Fachjournal „ACS Applied Materials & Interfaces“. Das Verhalten von Oberflächen aus Kupfer und Nickel konnte mit großen Hochleistungsrechnern simuliert werden. Die Ergebnisse stimmen verblüffend genau mit Bildern aus dem Elektronenmikroskop überein – liefern aber noch wertvolle Zusatzinformation. Reibung verändert winzige Körnchen Mit freiem Auge sieht es nicht besonders spektakulär aus, wenn zwei Oberflächen aneinander gleiten. Doch auf mikroskopischer Ebene laufen dabei hochkomplizierte Vorgänge ab: „Metalle, wie man sie in der Technik verwendet, haben eine spezielle Mikrostruktur“, erklärt Dr. Stefan Eder, Erstautor der aktuellen Publikation. „Sie bestehen aus kleinen Körnchen, mit einem Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern oder noch kleiner.“ Wenn nun ein Metall unter großer Scherbelastung über das andere gleitet, dann geraten die Körnchen der beiden Materialien aneinander: Die Körnchen können dabei gedreht, verformt oder verschoben werden, sie können in kleinere Körnchen zerteilt werden oder durch erhöhte Temperatur oder mechanische Einwirkung wachsen. All diese Prozesse, die auf mikroskopischer Skala ablaufen, bestimmen letztlich das Verhalten des Materials auf großer Skala – und damit entscheiden sie auch über die Lebensdauer einer Maschine, wie viel Energie in einem Motor durch Reibung verlorengeht oder wie gut eine Bremse funktioniert, in der eine möglichst hohe Reibkraft erwünscht ist. Computersimulation und Experiment Ein kleines Stück Metall wird von oben belastet, die einzelnen Körnchen des Metalls werden auf atomarer Skala berechnet. Abb. TU Wien „Das Ergebnis dieser mikroskopischen Prozesse kann man danach unter dem Elektronenmikroskop untersuchen“, sagt Stefan Eder. „Man erkennt, wie sich die Kornstruktur der Oberfläche verändert hat. Allerdings war es bisher nicht möglich, den Ablauf dieser Prozesse zu studieren und genau zu erklären, wodurch welche Effekte zu welchem Zeitpunkt verursacht werden.“ Diese Lücke schließen nun große Molekulardynamik-Simulationen, die das Tribologie-Team der TU Wien in Zusammenarbeit mit dem Exzellenzzentrum für Tribologie (AC²T) in Wiener Neustadt und dem Imperial College in London entwickelt: Atom für Atom werden die Oberflächen am Computer simuliert. Je größer das simulierte Materialstück und je länger der simulierte Zeitabschnitt, umso mehr Computerleistung wird benötigt. „Wir simulieren Abschnitte mit einer Seitenlänge von bis zu 85 Nanometern, über einige Nanosekunden hinweg“, sagt Stefan Eder. Das klingt nicht viel, ist aber bemerkenswert: Selbst der Vienna Scientific Cluster 4, Österreichs größter Supercomputer, ist mit solchen Aufgaben mitunter monatelang beschäftigt. Das Team untersuchte den Verschleiß einer Legierung aus Kupfer und Nickel – und zwar bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen der beiden Metalle und unterschiedlichen mechanischen Belastungen. „Unsere Computersimulationen ergaben genau die Vielfalt an Prozessen, an Kornveränderungen und Verschleiß-Effekten, wie man sie aus Experimenten grundsätzlich bereits kennt“, sagt Stefan Eder. „Wir können damit Bilder produzieren, die genau den Aufnahmen aus dem Elektronenmikroskop entsprechen. Allerdings hat unsere Methode einen entscheidenden Vorteil: Wir können den Prozess danach am Computer im Detail analysieren. Wir wissen, welches Atom zu welchem Zeitpunkt seinen Platz gewechselt hat, und was mit welchem Körnchen in welcher Phase des Prozesses genau passiert ist.“ Verschleiß verstehen – Industrieprozesse optimieren In der Industrie stoßen die neuen Methoden bereits auf großes Interesse. „Schon seit Jahren wird darüber diskutiert, dass die Tribologie von verlässlichen Computersimulationen profitieren könnte. Nun haben wir ein Stadium erreicht, in dem die Qualität der Simulationen und die verfügbare Rechenleistung so groß sind, dass wir dadurch spannende Fragen beantworten könnten, die auf andere Weise gar nicht zugänglich wären“, sagt Carsten Gachot. So möchte man in Zukunft auch industrielle Prozesse auf atomarer Ebene analysieren, verstehen und verbessern. Referenz S. Eder et al., Unraveling and Mapping the Mechanisms for Near-surface Microstructure Evolution in CuNi Alloys under Sliding, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, https://doi.org/10.1021/acsami.0c09302

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  • Effizient, günstig und ästhetisch: Forscherteam baut Elektroden aus Laubblättern

    Aus Laubblättern könnten sich Elektroden mit hervorragenden optischen und elektronischen Eigenschaften bauen lassen. Zu diesem Schluss kommt ein Wissenschaftlerteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT). Die Forschenden haben Blattadern mit Kupfer beschichtet und sie so in elektrisch leitfähige und optisch transparente Elektroden umgewandelt. Konstruiert nach dem Vorbild der Natur, könnten sich mit den Blattstruktur-Elektroden neuartige Solarzellen, LEDs oder Displays entwerfen lassen. „Wir haben uns von dem perfekt ausgeklügelten System der Natur inspirieren lassen und aus den Blattadern von Laubblättern Elektroden mit einer hohen Leistungsdichte und geringem Materialverbrauch konstruiert“, berichtet Dr. Guobin Jia vom Leibniz-IPHT. Er ist Erstautor der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nano-Micro Letters erschienen ist. Elektroden vom Magnolien-Baum Vorher, nachher: links das Magnolienblatt, rechts die Elektrode. Jonathan Plentz (links) und Guobin Jia vom Leibniz-IPHT bauten Elektroden aus Blättern der Purpur-Magnolie. Abb. Sven Döring/ Leibniz-IPHT Pflanzenblätter verhalten sich wie photochemische Fabriken, die Wasser und CO2 durch Photosynthese in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandeln. Solarzellen ahmen dieses Prinzip nach, indem sie Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln. Die feinen, netzartig verzweigten Blattadern versorgen die Blattzellen mit Wasser und Nährstoffen und befördern die in der Photosynthese hergestellten Kohlenhydrate in die anderen Teile der Pflanze. „Damit haben sie viel gemein mit den Elektroden in Solarzellen, Batterien oder LEDs, die elektrischen Strom oder Signale sammeln oder verteilen“, erläutert Dr. Jonathan Plentz, der am Leibniz-IPHT die Arbeitsgruppe „Photonische Dünnschichtsysteme“ leitet. Während die Blattadern allerdings auch dann noch funktionsfähig bleiben, wenn Teile von ihnen beschädigt sind, führen bei Solarzellen Brüche zu einer starken Verschlechterung der Leistung. Das effiziente Transportnetz der Laubblätter haben sich die Forschenden nun für die Übermittlung von elektrischem Strom zunutze gemacht. Sie lösten das Blattgrün von Blättern der Purpur-Magnolie (Magnolia liliiflora), metallisierten die Adern mit Kupfer und ließen elektrischen Strom hindurchfließen. Aus den Blattskeletten wurden transparente, leitfähige Elektroden. Mit einer hohen Leistungsfähigkeit: Der Schichtwiderstand ist um zwei Größenordnungen niedriger — die elektrische Leistungsfähigkeit somit entsprechend besser — als bei gängigen ITO-Dünnschichten (Indiumzinnoxid), die etwa für transparente Elektroden in Touchscreens oder Dünnschicht-Solarzellen verwendet werden. Auch bei der optischen Transmission im UV- und Infrarot-Bereich zeigten sich die Blatt-Elektroden den herkömmlichen gegenüber überlegen. Am Beispiel der Blätter die Mobilität der Zukunft entwerfen Die Forschenden haben Blattadern mit Kupfer beschichtet und sie so in elektrisch leitfähige und optisch transparente Elektroden umgewandelt. Abs. Sven Döring/ Leibniz-IPHT Strukturen aus der Natur zu nutzen, könnte sich nicht nur als effizienter, sondern auch als günstiger erweisen. „Für Elektroden aus Laubblättern benötigen wir wesentlich weniger Material“, erläutert Jonathan Plentz. Zudem sei der Kupferverbrauch für die Metallisierung sehr gering. In den metallisierten Laubblättern sieht der Forscher daher durchaus eine Alternative zu herkömmlichen Elektroden für Solarzellen. „Die verzweigte Struktur der Blattadern ist für den Transport optimal konstruiert.“ Im Gegensatz dazu erfordere die kammartige Geometrie der Elektroden auf gängigen Solarzellen eine gleichmäßige und in den Randbereichen unnötig dicke Silberschicht. Würde man die überlegenen, venenähnlichen Strukturen von Laubblättern für Hochleistungselektroden nutzen, schätzt Guobin Jia, könne man den Silber-Verbrauch für die Massenproduktion von Solarzellen auf weniger als ein Zehntel des derzeitigen Niveaus senken. Darüber hinaus könnten die elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Elektroden aus natürlichen Materialien nach Ansicht des Forscherteams neue Möglichkeiten eröffnen für den Bau von Batterien und Superkondesatoren sowie für das Design neuartiger LEDs oder Displays. „Generell können wir von der Effizienz der Lösungen der Natur lernen“, meint Guobin Jia. Nach dem Prinzip der Biomimicry ließen sich diese Lösungen auch auf unsere Wirklichkeit übertragen, zum Beispiel, um die Organisation moderner Verkehrssysteme neu zu denken. „Wenn wir die hervorragende Verteilungs- und Transportfunktion der Blattadern mithilfe eines mathematischen Modells besser verstehen würden, könnte das helfen, auch ganz andere, in zwei Richtungen verlaufende Transportprozesse zu verbessern“, so der Forscher. Dies gelte etwa für Straßensysteme in Großstädten, die Datenübertragung in Glasfasernetzen oder Stromnetze. Referenz Guobin Jia, Jonathan Plentz et al., Biomimic Vein-Like Transparent Conducting Electrodes with Low Sheet Resistance and Metal Consumption, Nano-Micro Letters volume 12, Article number: 19 (2020). https://doi.org/10.1007/s40820-019-0359-9

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