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Materials Systems Engineering - Materialforschung als Schlüssel des technologischen Fortschritts

Neue, leichte Metalllegierungen für sparsamere Flugzeuge, Batterien ohne Lithium oder gedruckte Sensoren für schnelle und günstige medizinische Diagnosen: In der Welt von morgen werden völlig neue Materialien zum Einsatz kommen.

Dank ihres äußerst fein strukturierten Aufbaus werden die Materialien auch Funktionen erhalten, die heute noch wie Science-Fiction wirken. Sie werden bis in die mikroskopische Ebene hinein geplant und hergestellt. Ein Beispiel: Winzige Partikel, die ein Medikament gezielt am Krankheitsherd abgeben, verwenden einzelne Moleküle als Sensor, um befallene oder erkrankte Zellen zu erkennen. Manche dieser Materialien werden Dinge können, die man bislang nur aus der Natur kennt, etwa sich selbst heilen oder ihre äußere Form flexibel anpassen. Die Materialforschung wird so zu einem Schlüssel für den technologischen Fortschritt und sichert den Wohlstand von morgen.

Im Programm „Materials Systems Engineering“ entwickeln wir Materialien im Labor und digital, um Werkstoffe und neuartige Geräte in der nötigen Detailschärfe erforschen, designen und fertigen zu können. Ein dafür essenzielles Konzept ist der „digitale Zwilling“: ein virtuelles Modell, das alle Informationen über das neue Material enthält. Dieser Zwilling hilft unseren Forscher:innen zu verstehen, wie Struktur und Funktion zusammenhängen und trägt dazu bei, die verschiedenen Möglichkeiten effektiv zu erkunden. Die Digitalisierung nutzen wir also einerseits, um Neues zu erschaffen. Auf der anderen Seite werden neue digitale Geräte und Anwendungen selbst nur durch neue Materialien möglich sein.

Entscheidend ist, die experimentelle Forschung mit digitalem Materialdesign zu kombinieren. Das Spektrum der erforschten Materialsysteme reicht von Nanomaterialien über Biomaterialien und Grenzflächenphänomenen bis zum Design von einzelnen Molekülen. Wir nutzen unser Wissen aus der Informationstechnologie und versuchen die effizienten Systeme der Natur zu verstehen, um multifunktionale Materialien zu entwickeln, die zum Beispiel in der Biotechnologie und Medizin zum Einsatz kommen. Um Eigenschaften bestimmter Materialien in Zukunft besser vorhersagen zu können, entwerfen wir außerdem eine umfangreiche Datenbank. So können wir Materialen und Methoden kombinieren und neue Synergien schaffen.

Mächtige Forschungsinfrastrukturen bilden die Basis für unsere Arbeit. Wir stellen unsere Großgeräte und Technologieplattformen Wissenschaftler:innen aus der ganzen Welt für ihre Forschung zur Verfügung. Beispiele hierfür sind die Karlsruhe Nano Micro Facility am KIT oder das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie am Forschungszentrum Jülich. Innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft sind dies zentrale Technologieplattformen zur Bestimmung von Strukturen und zur Herstellung hochspezialisierter Produkte. Universitäten, Forschungsinstitutionen und Industrieunternehmen können die Technologien und Geräte dieser Infrastrukturen nutzen. Dadurch sorgen wir für eine schnelle Anwendung der Forschungsergebnisse in der Praxis.

Factsheet:

  • Die digitalisierte Zukunft braucht spezielle und intelligente Materialien und die Materialforschung braucht die Werkzeuge der Digitalisierung.
  • Neue Werkstoffe bieten neue Funktionen dank ihres filigranen Designs auf mikroskopischer Ebene.
  • Im Programm „Materials Systems Engineering“ erforschen wir Materialien in der nötigen Detailschärfe, um diese verbessern, designen und fertigen zu können.
  • Diese Forschung gelingt nur, indem wir digitale Methoden der Big-Data-Analyse mit experimenteller Materialforschung verbinden.
  • Ein zentrales Konzept hierfür ist der „digitale Zwilling“ eines Materials.
  • Unsere Forscher:innen widmen sich Nanomaterialien, Biomaterialien und dem Design von einzelnen Molekülen.
  • Mächtige Forschungsinfrastrukturen wie die Karlsruhe Nano Micro Facility, das Ernst Ruska-Centrum oder das Jülich Supercomputig Center, die Wissenschaftler:innen aus der ganzen Welt nutzen können, bilden die Basis für unsere Arbeit.
  • Das Programm „Materials Systems Engineering“ setzt auf Partnerschaften und Kooperationen mit führenden Institutionen in Deutschland und weltweit.

Christof Wöll

Programmsprecher Materials Systems Engineering
Karlsruher Institut für Technologie

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