Die Revolution der Materialforschung: Neue Erkenntnisse durch fortschrittliche Analysetechniken

Innovationen betreffen so gut wie jeden Lebensbereich. Vor allem die Materialforschung kann dazu beitragen, neue Erkenntnisse zu erlangen. Dieser Artikel zeigt anhand von drei interessanten Beispielen, wie die Materialforschung Innovationen hervorbringen kann.

Auf der Suche nach Innovationen

Nicht nur die Technologie-Branche, sondern auch viele weitere Bereiche profitieren von Innovationen. Deshalb ist man immer weiter auf der Suche nach neuen Materialien und herausragenden Eigenschaften. Immerhin erfordern sich ändernde Anforderungen neue Gegebenheiten. Die Materialanalyse macht es möglich!

Im Labor werden Materialien durch analytische Techniken und Methoden auf ihre Eigenschaften untersucht. Sowohl die chemische als auch die physikalische Analytik spielen eine Rolle.

Stoffe aus der Natur neu entdecken

Die Materialanalyse macht es mitunter möglich, Stoffe aus der Natur neu zu entdecken und unter bisher unberücksichtigten Gesichtspunkten zu betrachten. Die Natur ist seit jeher eine wichtige Quelle für Innovationen. Es wird anhand von drei Beispielen gezeigt, welche Innovationen die Materialanalyse von Naturmaterialien mit sich bringen kann.

1. Chemische Synthese

Die Natur steckt voller komplex aufgebauter Materialien, die sich in Struktur und Funktion stark voneinander unterscheiden. Wer sich von der Natur inspirieren lässt, kann neue Erkenntnisse über die Synthese erwerben. Damit stellt sie eine hervorragende Quelle für zukünftige Entwicklungen dar.

Der Begriff der Synthese wird etwas weiter gefasst. Man versteht darunter nicht nur die Herstellung von chemischen Bindungen und Molekülen. Auch die Eigenschaftsbildung und Struktur müssen beherrscht werden. Dabei wird die ganze Kette vom Atom bis hin zum Molekül genauer betrachtet.

Wo kommen solche Erkenntnisse zum Einsatz? Ein Beispiel stellt die Herausforderung, lebensähnliche Materialien herzustellen, dar. Lebensverbessernde Technologien haben hier meist ihren Ursprung. Zu finden sind sie in verschiedenen Bereichen: im Tissue Engineering, in der Arzneimittelabgabe, für adaptive Materialien für die weiche Robotik und für die molekulare Information. Besonders attraktiv scheinen die Erkenntnisse über die chemische Synthese bei der Entwicklung leichter und biokompatibler Materialien zu sein. Eine nachhaltige Gesellschaft ohne Kunststoffabfälle ist das Ziel.

Auch die Konstruktion mit DNA profitiert von den Ergebnissen dieser Forschung. Eine molekulare Maschine kann noch besser und autonom laufen. Und auch für Diagnostik und Therapie im medizinischen Bereich sind sie unverzichtbar.

2. Bioinspirierter Leichtbau

Technische Leichtbaumaterialsysteme kommen in besonders komplexen Bereichen zum Einsatz: der Luft- und Raumfahrt zum Beispiel. Aber auch andere wirtschaftlich relevante Bereiche profitieren von dieser Forschung. So macht der bioinspirierte Leichtbau auch in der Automobilindustrie, in der sich aktuell fast alles um E-Mobilität dreht, eine Rolle. Und auch im Bauwesen, in dem man einen vermehrten Rohstoffmangel zu verzeichnen hat, sind die Innovationen beliebt.

Die Grundlage biologischen Leichtbaus ist die Strukturierung biologischer Materialsysteme. Material und Struktur werden genau analysiert. Zu den Materialien zählen Baumstämme, Frucht- und Samenschalen, Seeigelstacheln, Panzer von Schildkröten und Knochen. Sie weisen verschiedene Ebenen auf: Es geht vom molekularen Aufbau über die Zellwandultrastruktur und den Zell- und Gewebeaufbau bis hin zum Aufbau des Gesamtorganismus. Es werden zwölf Größenordnungen überspannt.

Biologische Leichtbaumaterialsysteme bestehen meist aus einer zellulären Matrix, die in Fasern oder Faserbündel in lastoptimierter Art und Weise eingebettet sind. Steife und zähe Materialsysteme entstehen. Die Dämpfungseigenschaften können verbessert werden und die Delamination wird verringert.

3. Weiche Robotik

Die weiche Robotik wurde bereits angesprochen. Es handelt sich um die Entwicklung von Robotern mit ganz oder teilweise weichem Körper. Damit sollen sie den Tieren in der Natur ähneln, welche weiche Materialien und Strukturen intelligent nutzen. Dadurch soll ein noch effizienterer Betrieb möglich sein. Roboter müssen robust und sicher in der Interaktion mit dem Menschen sein.

Derzeit gibt es vor allem zwei Ansätze, die bei der Konstruktion weicher Roboter eine Rolle spielen. Einerseits verwendet man von Tieren inspirierte synthetische weiche Materialien, Fortbewegungsmethoden und Mechanismen bei der Herstellung weicher Roboter. Vor allem vom Tintenfisch lässt man sich hier gern inspirieren, da er sich mit seinen weichen Armen und einer entsprechenden Schwimmtechnik fortbewegt. Und als zweiter Punkt ist zu nennen, dass biologisch aktive Zellen wie Mikroorganismen wie Bakterien und Algen oder Muskelzellen in synthetisch weiche Materialien integriert werden. Sogenannte Bio-Hybrid-Roboter sind das Ergebnis.

Und wo werden die Softroboter eingesetzt? Vor allem die Medizin profitiert von diesen Innovationen. Weiche medizinische Geräte für den Magen-Darm-Trakt und andere Regionen des menschlichen Körpers können bei Diagnose und Behandlung einen Unterschied machen. Und auch Serviceroboter für die Überwachung, Erforschung und Regeneration können effektiv und sicher eingesetzt werden. Bisher gibt es nur Prototypen, doch die Wissenschaft bemüht sich um neue Innovationen und Erkenntnisse.