Materialforschung

Interview mit Gerhard Dehm

Das Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW feiert sein 40-jähriges Jubiläum. Im Interview mit Martina Gröschl erklärt Institutsdirektor Gerhard Dehm was sich in der Materialwissenschaft seither getan hat und wo die großen Themen der Zukunft liegen.

Das Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI) hat soeben sein 40-jähriges Jubiläum gefeiert. Wie hat sich die Materialforschung in den letzten 40 Jahren verändert?

Dehm: Vor etwa 40 Jahren fand in den Materialwissenschaften ein Paradigmenwechsel statt. Man begann Material-übergreifend zu denken. Zuvor waren die Materialwissenschaftler auf einzelne Materialien spezialisiert - es gab zum Beispiel einen Spezialisten für Kupfer, einen für Stahl oder einen für Titan. Damals wurde erstmals versucht, die in den Materialien wirksamen Mechanismen generell zu erfassen. Der erste Direktor des Erich-Schmid-Instituts, Hein Peter Stüwe, war einer der Pioniere auf dem Gebiet. In seiner Gründerzeit entwickelte das ESI allgemeingültige Materialgesetze, um zum Beispiel das Bruchverhalten von metallischen Werkstoffen grundlegend zu verstehen. Das war zu dieser Zeit bahnbrechend. Damals begann man auch zu unterscheiden, welche Materialeigenschaften über die Bindungseigenschaften eines Materials bestimmt werden und welche über seine Mikrostruktur.

Heute ist diese Sichtweise unverzichtbare Basis für unsere Arbeit zur Erforschung und Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Materialien.

Welche Aufgaben hat die Grundlagenforschung bei der (Weiter-)Entwicklung von Materialien?

Dehm: Die Grundlagenforschung geht allgemeinen, für die Anwendung wichtigen Fragestellungen auf den Grund. Beispielsweise wird die Miniaturisierung von Materialen weiter voranschreiten - der Trend geht in Richtung noch kleinere und noch leichtere Materialien, die aber genauso robust sein sollen, wie die bisher eingesetzten - denken Sie an Materialien in Sensoren oder mikroelektronischen Bauteilen. Wir untersuchen, wie sich diese Miniaturisierung auf das Materialverhalten auswirkt. Dazu müssen wir passgenaue Messmethoden entwickeln. Wir haben es hier mit Proben von einigen zehntel Millimetern bis zu wenigen zehn Nanometern Größe zu tun. Die Methoden, die wir dazu benötigen, gibt es nicht von der Stange.

Prinzipiell gehen wir bei unseren Untersuchungen die ganze Längenskala vom Zentimeter- bis zum Nanometerbereich durch. Wir versuchen so direkt wie möglich abzubilden, was mit den Materialien auf der Makro-, Mikro- und Nanoebene aber auch auf der atomaren Ebene geschieht, wenn man sie bestimmten Belastungen aussetzt. Eines unserer wichtigsten Werkzeuge für den (Sub-)Nanometer-Bereich ist unser erst vor wenigen Jahren installiertes Transmissionselektronenmikroskop (siehe Bis ins kleinste Atom ), das in Materialien bis zur atomaren Ebene mit Picometer-Präzision vordringen kann.

Wir führen auch Simulationen durch, um das Materialverhalten mit variierenden Parametern durchzurechnen, zum Beispiel in der Bionik, in der es darum geht, Materialien nach dem Vorbild der Natur zu entwickeln. Hier wird mit Hilfe von Simulationen berechnet, wie Materialkombinationen beschaffen sein müssten, um beispielsweise Risse zu blockieren (siehe Ein Tiefseeschwamm zum Zähne-Ausbeißen ).

Werden am ESI auch neue Materialien entwickelt?

Dehm: Wir stellen mit einer speziell von uns weiterentwickelten Methode makroskopische Werkstoffe her, die vollständig aus Nanokristalliten bestehen, wobei die von uns verwendete Apparatur mit einer Kraft von 400 Tonnen arbeitet und weltweit derzeit einzigartig ist. Nanokristalline Materialien haben ein großes Anwendungspotenzial, das von der Informationsspeicherung bis hin zur Medizintechnik reicht. Für Werkstoffe in der Medizintechnik gibt es unter anderem einen großen Bedarf an der Weiterentwicklung von Implantaten, die auf der einen Seite vom Körper gut aufgenommen werden und auf der anderen Seite am besten lebenslang halten sollen. Ein Zukunftsthema in der Medizintechnik sind Materialien, die sich selbstständig auflösen, wenn sie nicht mehr gebraucht werden - wie Schrauben, die zur Heilung von Knochenbrüchen eingesetzt werden (siehe Vom High-Tech-Implantat bis zur Bio-Schraube ).

Letztendlich liefert Grundlagenforschung in der Materialwissenschaft immer Erkenntnisse, die für bestehende oder zukünftige Anwendungen relevant sind. Es gilt aber stets zu überprüfen, inwieweit sich die grundlegenden Erkenntnisse direkt auf die Anwendung übertragen lassen oder weiter verbessert werden müssen. Teilweise ergeben sich aber auch aus der Anwendung Fragestellungen, die wir mit Hilfe der Grundlagenforschung zu beantworten versuchen. Wir haben daher stets Kooperationsprojekte mit Partnern aus der Industrie, die ja ein originäres Interesse daran haben, dass die von ihnen eingesetzten Materialien langfristig sicher funktionieren.

Apropos Medizintechnik: Dort werden oft Kombinationen von Materialien eingesetzt - zum Beispiel Keramik in Verbindung mit Titan bei Zahnimplantaten. Forschen Sie am ESI auch an Verbesserungen solcher Materialverbunde?

Dehm: Generell ist die Erforschung von Grenzflächen eines unserer großen Forschungsthemen. Bei Zahnimplantaten lässt sich hier auf atomarer Ebene untersuchen, wie die Verbindung an der Grenze zwischen Keramik und Titan genau aussieht und durch welche Maßnahmen die Bindungsverhältnisse verbessert werden können. Das kann beispielsweise durch eine gezielte Anreicherung von bestimmten chemischen Elementen an der Grenzfläche erreicht werden.

Auch im Bereich der flexiblen Elektronik (siehe Elektronik für die Westentasche ), eines unserer neuen Forschungsthemen am ESI, ist eine stabile Haftung zwischen Materialien wesentlich. Will man zum Beispiel ein biegsames Display entwickeln, muss man die elektronischen Bauteile so mit dem Display kombinieren, dass sie jede Verformung mitmachen ohne sich abzulösen.

Wie sehr solche Grenzflächen die Materialeigenschaften verändern, sieht man auch in der Bionik. Der an unserem Institut erforschte Tiefseeschwamm Euplectella wird durch eine geschickte Kombination von Glas- und Proteinschichten nahezu unzerstörbar (siehe Ein Tiefseeschwamm zum Zähne-Ausbeißen ).

Was sind die großen Zukunftsthemen der Materialforschung?

Dehm: Wie bereits erwähnt bleibt die fortschreitende Miniaturisierung ein wichtiges Thema: nicht nur aus Gründen des Komforts, sondern auch der Nachhaltigkeit - denn kleinere und leichtere Materialien brauchen für ihre Herstellung weniger Rohstoffe.

Aufgrund der steigenden Lebenserwartung, werden medizintechnische Anwendungen ebenso weiter an Bedeutung gewinnen. Eines der ganz großen Zukunftsthemen ist die Energietechnik: Wir wissen zwar noch nicht, welcher Energie-Mix künftig der beste sein wird, aber für jede Variante brauchen wir neue Materialien, seien es Materialien, die den harschen Bedingungen in einem Kernfusionsreaktor standhalten, oder umweltverträgliche Materialien zur möglichst effizienten Nutzung der Sonnenenergie.

Die Materialforschung ist zweifellos eine Schlüsseltechnologie: Für jede technische Entwicklung braucht es die richtigen Materialien, mit denen sich diese umsetzen lässt.