LUXEMBURG
CORDELIA CHATON

Wie verändern Materialien die Produktion? Was gibt es in Zukunft? Was steckt hinter der Nano-Technologie?

Es gibt Materialien, die sind so winzig, dass sie eine Million Mal kleiner als ein Millimeter sind – und doch können sie die Eigenschaften von Gummi, Stahl oder Glas verändern. In der Produktion ergeben sich durch neue Materialien große Veränderungen. Das reicht von extremer Personalisierung über Sensorik bis hin zur computertechnisch perfekten Planung von Häusern, die viel flexibler nutzbar sind und somit auch länger stehen bleiben.

Heute existiert Beton, der sich selbst heilt, Polymere mit neuen Anwendungsbereichen und Energiesysteme, die neue Antriebsformen ermöglichen. Um solche Themen ging es nicht nur zwei Tage lang auf dem „Future of Materials Summit“ auf Kirchberg, das von der Zeitschrift „The Economist“ veranstaltet wurde. Themen rund um neue Materialien werden auch täglich an der Universität, dem „Luxembourg Institute of Science and Technology“ (LIST) sowie in vielen Unternehmen erforscht. Bereiche wie die Luftfahrt, der Bau, der Energiesektor oder der Gesundheitsbereich sind direkt betroffen. Nicht umsonst hat Luxinnovation ein „Materials and Manufacturing Cluster“. Und es hat seinen Grund, dass das auf Nanotechnologie spezialisierte Unternehmen Ocsial Sponsor der Veranstaltung ist und seine eigene heute startet. Das Thema ist so vielfältig, dass wir einige interessante Aspekte wie beispielsweise ein Gespräch über den von Elon Musk erdachten Hyperloop mit dessen Hersteller auf andere Seiten verschieben mussten.

Wie das LIST zu Nanomaterialien forscht

Innovationen hängen an Materialien

Das „Luxembourg Institute of Science and Technology“ (LIST) ist bei den kleinen Materialien ganz groß. Rund 60 bis 70 Wissenschaftler forschen hier zu Nanomaterialien. „Die sind eine Million Mal kleiner als ein Millimeter“, erklärt Prof. Jens Kreisel, Direktor der Abteilung für Materialwissenschaften und -technologien. Der Grund liegt in ihren Eigenschaften. „Nanomaterialien können bessere Eigenschaften haben als normale Materialstoffe. Ein Einsatzbereich ist beispielsweise die Sensorik“, erklärt Kreisel. Die wiederum spielt eine große Rolle im sogenannten Internet of Things. „Dahinter steht die Idee von vernetzten und smarten Sensoren, die energieunabhängig sind“, sagt Kreisel. So kann man auf Glas eine sehr dünne Schicht Nanomaterialien aufgetragen, die ihm neue Funktionen verleiht, beispielsweise bei zukünftigen Handys. „Übrigens geht die Europäische Kommission davon aus, dass 70 Prozent der neuen innovativen Produkte an neuen Materialien hängen“, unterstreicht der Wissenschaftler. Was neu ist, funktioniert meist auch in verschiedenen Sektoren. So werden neue Schlüsseltechnologien genauso im Fahrzeug wie im Flugzeug oder im Energiebereich eingesetzt. Konkrete Anwendungsbeispiele gibt es viele beim LIST. So arbeiten die Forscher in den kommenden fünf Jahren mit dem Reifenhersteller Goodyear in Colmar/Berg zusammen. Nanomaterialien sind bei dem 40-Millionen-Forschungsprojekt wichtig, um den Reifen neue Eigenschafen zu verleihen. Das LIST arbeitet auch mit dem Glashersteller Carlex zusammen an Autoscheiben der Zukunft. Darüber hinaus gibt es eine Kooperation mit dem Hartmetall-Spezialisten Ceratizit. Nanomaterialien spielen aber auch eine Rolle in der Nano-Medizin, wo so genannte Nanowirkstoffe eingesetzt werden können. „Gemeinsam mit Kollegen der Abteilung Umweltwissenschaften des LIST berücksichtigen und untersuchen wir auch Nanotoxizität“. „Darüber hinaus, fragen wir uns wie sich Materialien in der digitalen Welt einbringen können oder auch im wachsenden Raumfahrtsektor“, schneidet Kreisel einige Fragen an. cc

Kristallgitter und Moleküle

Materialeigenschaften besser verstehen

„Physik und Materialwissenschaften“ ist einer der Fachbereiche an der Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie und Kommunikation der Universität Luxemburg und zugleich auch ein Schwerpunkt in der Forschungsstrategie der Universität. Ziel der Forschung ist, die Eigenschaften und das Verhalten von neuartigen Materialien ausgehend von der Anordnung der Atome im Kristallgitter oder im Molekül zu verstehen. Es ist die Bewegung der Elektronen zwischen den Atomkernen, die bestimmt, in welcher Art und Weise die Atome zusammenhalten und welche Eigenschaften (Festigkeit, Farbe, Leitfähigkeit, etc.) das Material hat. Die Bewegung der Elektronen wird von den Gesetzen der Quantenmechanik beherrscht und kann in aufwändigen Computersimulationen berechnet werden. Dies ermöglicht es, sowohl das Verständnis von existierenden Materialien zu verbessern, als auch neuartige Materialien zu entwickeln, deren Eigenschaften bereits im Voraus am Computer bestimmt werden können. Somit können die Materialien eigens auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten werden. Ein Beispiel ist die Arbeit von Prof. Alexandre Tkatchenko, der mithilfe solcher Simulation die sogenannten „Van-der-Waals-Kräfte“ untersucht. Das sind Anziehungskräfte zwischen neutralen Atomen und Molekülen. Sie geben beispielsweise auf makroskopischer Ebene dem Klebstoff seine Haftkraft und lassen einen Gecko kopfüber an der Wand laufen. Weitere Beispiele an der Uni Luxemburg sind die Untersuchung der optischen Eigenschaften des neuen „Wundermaterials“ Graphen und anderer zweidimensionaler Nanomaterialien durch Prof. Ludger Wirtz oder die Arbeit der Forschungsgruppe um Dr. Massimiliano Esposito, die sich mit dem Energiehaushalt von Nano-Systemen befasst. Ein anwendungsnahes Beispiel ist die experimentelle Forschung von Professor Susanne Siebentritt, die die Eigenschaften neuartiger Dünnschichtsolarzellen untersucht. Langfristig ist diese Art der Grundlagenforschung von großer Relevanz für viele Anwendungen in der Industrie. So können die gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um beispielsweise Herstellungsverfahren zu verbessern oder in der Produktentwicklung diejenigen Materialien auszuwählen, deren Eigenschaften am besten zu den jeweiligen Anforderungen passen. tk