Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bahnbrechende Entdeckung an der TU Hamburg: Die Natur macht das beste Materialdesign

28.11.2012
Auf der Suche nach neuen Materialien haben Forscher der TU Hamburg eine weitreichende Entdeckung gemacht: Ihnen gelang der Nachweis, dass die Steifigkeit kristalliner Metalllegierungen in dem von der Natur vorgegebenen Zustand am höchsten ist. Anders gesagt: Es gibt auf diesem Sektor nichts, was besser ist als die Natur.

Mit diesem Ergebnis wird die weltweite Suche nach neuen steifen Materialien zumindest auf dem Gebiet der kristallinen Metalllegierungen in Frage gestellt. Die am Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe gewonnenen Erkenntnisse sind in der heute erscheinenden Ausgabe der Fachzeitschrift „nature“ Gegenstand eines vierseitigen Berichts.

Der von Professor Stefan Müller sowie den Ko-Autoren Sascha Maisel und Michaela Höfler eingereichte Beitrag „A canonical stability/elasticity relationship verified for one million face-centred-cubic structures“ wurde auf Anhieb publiziert – und sogar kommentiert. Der Kommentator, der US-amerikanische Physiker Gus L. W. Hart von der Brigham Young University, erwähnt in seinem Beitrag „Substitution with vision“ unter anderem die US-amerikanische Forschungsinitiative „Materials Genome Initiative“ von Präsident Obama, in deren Mittelpunkt die Optimierung der Eigenschaften funktionaler Materialien steht. Die Hamburger haben „einen wesentlichen Beitrag geleistet, um diesem Ziel näherzukommen,“ schreibt Hart. „nature“-Kommentare, in denen Experten Beiträge bewerten, gelten in Wissenschaftskreisen als festes Indiz für die große Bedeutung eines Forschungsergebnisses.

Wissenschaftler suchen weltweit händeringend nach neuen Materialien, von denen sie sich neue Funktionen versprechen. Ob Keramik, Kunststoff oder kristalline Metalllegierungen – stets geht es darum, Eigenschaften zu entdecken, die entweder über das hinausgehen, was die Natur liefert oder wo die Natur das Vorbild ist. Auch die TU Hamburg sucht in ihrem Sonderforschungsbereich „Maßgeschneiderte, multiskalige Materialsysteme“ nach neuen Materialien mit bis dato nicht dagewesenen Funktionen. In diesem Rahmen ist auch die Forschergruppe um Professor Müller angesiedelt, die sich speziell mit Zusammenhängen zwischen energetischen (atomare Ebene) und mechanischen Eigenschaften wie der Steifigkeit von Materie beschäftigt.

Die Idee, in einem Material durch eine veränderte Zusammensetzung der Komponenten neue Eigenschaften zu generieren, ist uralt und reicht bis in die Bronzezeit. Seit den 60er-Jahren ergänzen Computersimulationen die klassischen Versuche. Egal, welches Verfahren zum Tragen kam, stets beschränkten sich die Untersuchungen auf einzelne Materialien. Die Hamburger Forscher hingegen haben von vorneherein ihre Studie einer ganzen Materialklasse gewidmet: den kristallinen Metalllegierungen.

In ihrem Fokus waren vier verschiedene Metalllegierungen: Nickel-Aluminium, Kupfer-Aluminium, Nickel-Wolfram und Nickel-Tantal. Über eine Million verschiedener atomarer Anordnungen hatten die Wissenschaftler dabei berechnet. Das Ergebnis war eindeutig und lässt sich auf die wichtigsten kristallinen Metalllegierungen übertragen. Je nach Anordnung der Atome ändert sich die Steifigkeit eines Materials. „Es hat sich gezeigt, je stabiler eine solche atomare Anordnung, desto steifer ist diese,“ sagt Müller. Außerdem wurde festgestellt, dass die Stabilität in einem direktem Verhältnis zur Steifigkeit steht, anders gesagt, wenn das Material halb so stabil ist, ist es auch halb so steif. „Die Anordnung mit der niedrigsten Energie hat die höchste Steifigkeit,“ sagt Maisel. Die Natur versuche stets, den Zustand der minimalsten Energie zu erreichen.

Neun Monate nahmen die numerischen Berechnungen und die systematische Auswertung der riesigen Datenbasis in Anspruch. „Dann lag das Ergebnis klar auf dem Tisch,“ sagt Maisel, der federführend die Berechnungen durchführte. Der studierte Physiker, Erstautor des „nature“-Beitrages, promoviert zum Thema am Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe bei Professor Stefan Müller und wurde in seiner Arbeit von Michaela Höfler unterstützt. Noch mitten im Bachelorstudium hat sich die angehende Schiffbauingenieurin für die Material-Modellierung mittels quantenmechanischer Ansätze interessiert und im Institut engagiert.

Die Ergebnisse werfen eine Vielzahl weiterführender Fragen auf, wie etwa: Wie weit lassen sich die Ergebnisse auch auf andere Materialtypen übertragen? Was passiert bei Systemen, die nicht wie die kristallinen Metalllegierungen aus zwei, sondern aus drei und vier Atomarten bestehen? Nicht zuletzt stellt sich aus technischer Sicht die Frage, ob aufgrund der Ergebnisse die Suche nach synthetischen Materialien mit höherer Steifigkeit für wirklich jedes Material sinnvoll ist.

Die Materialforscher an der TUHH hatten erst vor Kurzem mit einer Entdeckung schon einmal Aufsehen erregt, als das Team um Professor Karl Schulte die Entdeckung des leichtesten Werkstoffs der Welt bekanntgab. Das mit Wissenschaftlern aus Kiel entwickelte Aerographit ist stabil und dennoch verformbar sowie elektrisch leitfähig.

Für Rückfragen:

TU Hamburg
Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe
Prof. Dr. rer. nat. Stefan Müller/Sascha Maisel
Tel.: 040/ 42878-3137/3644
E-Mail: stefan.mueller@tuhh.de
E-Mail: sascha.maisel@tuhh.de
TU Hamburg
Pressesprecherin
Jutta Katharina Werner
Tel.: 040/ 42878-4321
E-Mail: j.werner@tuhh.de

Jutta Katharina Werner | idw
Weitere Informationen:
http://www.tuhh.de/gk/welcome.html
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11609.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Vom Tabak zum Cyberholz
31.03.2015 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Spannung in der Forschung: Piezoelektrische Effekte zur Unterdrückung von Materialspannungen
30.03.2015 | Der Wissenschaftsfonds FWF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gemeinsam auf der Suche nach Wirkstoff gegen MRSA

Neues Projekt bündelt Kompetenzen des HZI und des Lead Discovery Center in Dortmund

Krankenhauskeime stellen in Deutschland ein immer größeres Problem dar. Der Grund: viele von ihnen sind resistent gegen die meisten herkömmlichen Antibiotika....

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln Mess-System für Schiffbau-Versuchsanstalten

Durch wissenschaftlich fundierte Daten der Forscher um Professor Nils Damaschke vom Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock wird es künftig möglich, die Propellerform für Schiffe so zu optimieren, dass weniger Kraftstoff verbraucht und der Propellerverschleiß auf Grund von Kavitation reduziert werden kann. Die Wissenschaftler arbeiten inzwischen an der weiteren Verfeinerung eines kommerziellen Mess-Systems für die weltweit agierenden Schiffbau-Versuchsanstalten.

Kleinste Partikel spielen im täglichen Leben eine immer größere Rolle. Ob es sich um Schadstoffe in der Luft (Feinstaubbelastung) oder Zerstäubungsprozesse...

Im Focus: Den Synapsen bei der Arbeit zusehen

Göttinger Forscher beobachten Synapsenaktivität im Gehirn lebender Fruchtfliegen

Wissenschaftler der Universität Göttingen haben mit einer neuen Methode die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn lebender Fruchtfliegen beobachtet. Bislang...

Im Focus: FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

Mit ihrem „humanisierten“ Roboter zeigten Anna Lena Baumann und Wolfgang Schade erstmalig die erfolgreiche Umsetzung der 3D-Navigation über eine neuartige Lasermethode, der Standard Single-Mode-Glasfaser. Mehr als 17.000 Teilnehmer konnten den Roboter und FiberLab, das erste Projekt des Photonik Inkubators in Göttingen, auf der Photonics West in San Francisco kennen lernen.

Mit Hilfe eines in die Kleidung eingenähten Fasersensors wurden Armbewegungen eines Probanden dokumentiert und nach entsprechender Auswertung an den Roboter...

Im Focus: Femto Photonic Production: Neue Verfahren mit Ultrakurzpulslasern für die Fertigung von morgen

Für die deutsche Wirtschaft spielt die Lasertechnik eine herausragende Rolle: Etwa 40 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung stammen aus Deutschland.

Beim Einsatz von Lasern in der Produktion sind deutsche Unternehmen führend. Diese Stärken gilt es zu erhalten und auszubauen. Deswegen hat das...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Premiere für die "innteract conference"

30.03.2015 | Veranstaltungen

Startup Weekend: In 54 Stunden von der Gründungsidee zur Firmengründung

30.03.2015 | Veranstaltungen

Große Bühne für Wissenschaft in drei Minuten

30.03.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ohne Mobilität keine gesellschaftliche Teilhabe im Alter: Abschluss des BMBF-Projekts COMPAGNO

31.03.2015 | Gesellschaftswissenschaften

Warum die Artenvielfalt plötzlich explodierte

31.03.2015 | Biowissenschaften Chemie

Ab in die Zelle - Fundamentale Erkenntnisse für verbesserten Wirkstofftransport

31.03.2015 | Biowissenschaften Chemie