Virtueller Baukasten für Werkstoffdesign

Das Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) hat eine neue For-schungsgruppe unter der Leitung von Davide Donadio ins Leben gerufen. Das Hauptaugenmerk der Nachwuchswissenschaftler liegt auf theoretischen Fragen zu Nanostrukturen von Materialien und deren Transporteigenschaften.

Wie verhalten sich diese Strukturen bei verschiedenen Temperaturen? Welche Eigenschaften und Merkmale zeigt ein Material, das aus Nanostrukturen aufgebaut ist. Welche Reaktionen lassen sich bei unterschiedlichen Drücken feststellen? Viele Merkmale eines Werkstoffs lassen sich erst durch Beobachtungen im Nanometerbereich, dem millionsten Teil eines Millimeters, ergründen und ableiten.

Die Wechselwirkungen seiner Atome sind für die spezifische Kombination seiner Eigenschaften verantwortlich. Anhand von Computersimulationen können neue Testmethoden erstellt werden, um Materialien mit ausgewählten Funktionen und Eigenschaften zu synthetisieren. Aus Sicht von Donadio bietet Mutter Natur dazu vielfältiges Anschauungsmaterial. Natürlich vorkommende Materialien, wie etwa Knochensubstanzen oder Muscheln, und deren Wirkungsweise in bzw. mit lebenden Organismen enthalten aussagekräftige Hinweise, die in das Design neuer Werkstoffe einfließen sollten. Der bionische Gedanke, die Vorbildwirkung natürlicher Vorlagen, ist nicht neu, setzt hier jedoch bereits im Nanobereich an.

Nano vom Sensor bis zur Eiscreme

Die Palette möglicher Anwendung, so Donadio, sei äußerst vielfältig und reiche von der Energiegewinnung bis hin zur Lebensmitteltechnik.

Die speziellen elektronischen und strukturellen Besonderheiten einiger Materialien ermöglichen es, Hitze in elektrische Energie zu wandeln. In Bauteile integriert, vereinen solche thermoelektrischen Materialien mehrere Funktionen auf sich: Sie bauen thermische Energie ab und können diese in demselben Prozess zu elektrischer Energie einer neuen Verwendung zuführen. Solche Materialien werden zum Beispiel in Sensoren verbaut, die in Luft- und Raumfahrttechnik Verwendung finden. Diese müssten, so Donadio, zukünftig bei ausgedehnteren Anwendungen weitaus effizienter arbeiten: „Es ist eines unserer Ziele die Voraussetzungen zur Entwicklung effektiverer thermoelektrischer Materialien zu erforschen. Daneben untersuchen wir wärmeableitende Nanomaterialien, wie etwa Graphen, die zum Beispiel die Oberflächen von Computerchips kühlen könnten. Graphen, aus einer Schicht Kohlenstoffatomen bestehend, besitzt die bis dato höchste Wärmeleitfähigkeit aller uns bekannten Materialien. Das eröffnet uns eine großartige Perspektive für neue Forschungen und Anwendungen in Verbindung mit der Nanotechnik.“

Die Auswirkungen der Kristallisation lassen sich anschaulich beim Genuss von Speiseeis beobachten. Der Effekt ist allgemein bekannt: Der Appetit auf ein Eis steigt bei sommerlichen Temperaturen besonders. Holt man es aus dem Gefrierfach, um ein Schälchen zu naschen, beginnt es sofort zu schmelzen. Mit dem erneuten Einfrieren vergrößern sich an der geschmolzenen Oberfläche die bis dahin mikroskopischen Eiskristalle und werden sichtbar. Viele Konsumenten empfinden dies als Qualitätsverlust. Auch in diesem Fall ist das Kristallisationsverhalten des Eises durch seine spezifischen Mikrostrukturen vorgegeben. Signifikant ist der Zusammenhang zwischen Struktur und Temperaturverhalten. Dieser lässt sich verändern – unabhängig davon, ob Schokoladen- oder Fruchtgeschmack. Wie dies geschehen kann, versuchen Donadio und sein Team zu simulieren.

Als besonders wichtig erachtet Donadio die enge Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Arbeitsgruppen des MPI-P: „Unsere Forschungsvorhaben sind theoretischer Natur, bauen aber auf experimentellen Erkenntnissen auf. Wir werden uns deshalb mit den Forschungsgruppen hier am Institut austauschen und unser Wissen eng vernetzen.″

Daneben möchte er auch mit Unternehmen kooperieren, die mit den Ergebnissen der Forschungsgruppe die Weiterentwicklung ihrer Produkte vorantreiben.

Der aus Norditalien stammende Donadio beschäftigte sich bereits während seines Studiums in Mailand sowie bei seinen Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich und der University of California in Davis mit Nanostrukturen aus Kohlenstoff, Kristallisationsprozessen und thermoelektrischen Materialien. Am MPI-P besitzt er nun die Möglichkeit mit einem Team diese Arbeit in einem größerem Maßstab fortzusetzen.