Werkstoffe mit Hauteigenschaften reagieren auf Einflüsse aus der Umwelt

Werkstoffe, die durch ihre besonderen Oberflächeneigenschaften wie die menschliche Haut auf Einflüsse aus der Umwelt reagieren können, stehen im Mittelpunkt eines Forschungsprojekts in der Göttinger Physik: Am II. Physikalischen Institut der Georgia Augusta untersucht ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Schaaf die Grundlagen der Funktionalisierung von Oberflächen, die bei hohen Temperaturen sich selbst anpassende Eigenschaften ausbilden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsarbeiten im Rahmen ihres Schwerpunktprogramms „Adaptive Oberflächen für Hochtemperatur-Anwendungen: Das ,Haut'-Konzept“ über einen Zeitraum von drei Jahren mit rund 200.000 Euro.

Metallische und keramische Werkstoffe werden in der Regel als „tote“ Materie betrachtet. Insbesondere bei hohen Temperaturen zwischen 650 und 1.100 Grad Celsius besitzen jedoch maßgeschneiderte Werkstoffoberflächen das Potential, wie lebende Hautsysteme mit sensorischen oder aktorischen Eigenschaften auf die Umwelt zu reagieren. Dazu zählen Schutzwirkungen gegen Wärmeaustritt oder chemische Angriffe, Atmung und Transpiration durch Membranfunktionen sowie Selbstreinigung oder Regeneration bei Schädigungen. Diese Fähigkeiten sollen durch unterschiedliche chemische und physikalische Behandlung der Oberflächen unter Hitzeeinwirkung erzielt und stabilisiert werden. Die Göttinger Forscher untersuchen in ihrem Projekt die werkstoffphysikalischen und prozesstechnischen Voraussetzungen einer Hochtemperatur-Funktionalisierung von keramischen Materialien im Nano- und Mikrobereich, die für Anwendungen in technischen Bauteilen von Interesse sind.

Im Mittelpunkt der Forschungen steht die „Haifischhaut“ mit einer sich selbst ausbildenden Oberflächen-Mikrostruktur: Sie besitzt die Fähigkeit zur lokalen Schwellung oder Schrumpfung im laufenden Betrieb mit hohen Temperaturen und weist damit besondere Strömungseigenschaften auf. Zugleich nutzen die Physiker den Lotus-Effekt, nach dem sich Oberflächen in Stillstandszeiten selbst reinigen können. Um diese Eigenschaften gezielt zu nutzen, werden Materialien mit unterschiedlichen wärmegesteuerten Ausdehnungsfaktoren, so genannten positiven und negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, miteinander kombiniert. In der Hochtemperaturphase wird das Wachstum von Keramikclustern mit negativer thermischer Ausdehnung aktiviert. So kommt es zu einer gezielten dreidimensionalen Verteilung der keramischen Bestandteile auf der Oberfläche. Anhaftende Verunreinigungen werden durch die Umkehrung der Verformung in der Phase der Abkühlung wieder abgelöst.

Das Projekt „Hochtemperatur-Funktionalisierung von adaptiven Oberflächen-Mikrostrukturen: ,Haifischhaut' (Strömungsoptimierung) und Lotus-Effekt (Selbstreinigung)“ ist ein Gemeinschaftsantrag von Prof. Schaaf und Prof. Dr. Johannes Wilden von der Technischen Universität Ilmenau. An dem DFG-Schwerpunktprogramm beteiligen sich insgesamt 24 Forschergruppen in Deutschland.

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Peter Schaaf
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – II. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-7672, Fax (0551) 39-4493
e-mail: pschaaf@uni-goettingen.de