Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Neue Bauelemente für die Computer der Zukunft, energiesparende Supercomputer und maßgeschneiderte Materialien und Werkstoffe für den Einsatz in Technik und Medizin zählen zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien von morgen. 

Einblicke in den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Glas aus dem Drucker

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Glas ist einer der ältesten Werkstoffe der Menschheit. Dieses Material wurde schon im alten Ägypten und antiken Rom verwendet. Ein interdisziplinäres Team um den Maschinenbauingenieur Bastian E. Rapp hat jetzt am Karlsruher Institut für Technologie ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Glas dreidimensional drucken lässt. 

Die Forscher mischen Nanopartikel hochreinen Quarzglases mit einer kleinen Menge flüssigen Kunststoffs und lassen diese Mischung durch Licht mittels Stereolithografie an bestimmten Stellen aushärten. Das flüssig gebliebene Material wird in einem Lösungsmittelbad herausgewaschen; so bleibt nur die gewünschte, ausgehärtete Struktur bestehen. Der in dieser Glasstruktur noch eingemischte Kunststoff wird anschließend durch Erhitzen entfernt. Nun ist die Glasstruktur geformt, aber instabil. Deshalb wird das Glas in einem letzten Schritt gesintert, also so weit erhitzt, dass die Glaspartikel miteinander verschmelzen. 

Die verschiedenen Techniken des 3-D-Drucks eigneten sich bislang zwar für die Verwendung von Kunststoffen oder Metallen, nicht jedoch für Glas. Wenn Glas zu Strukturen verarbeitet wurde, zum Beispiel durch Schmelzen und Applizieren mittels einer Düse, war das Ergebnis bisher eine sehr raue Oberfläche; das Material war porös und enthielt Hohlräume. Die neue Methode ist eine Innovation in der Materialprozessierung. Das Material des gefertigten Stücks ist hochreines Quarzglas mit entsprechenden chemischen und physikalischen Eigenschaften. Die von den Wissenschaftlern am KIT gefertigten gläsernen Strukturen weisen Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer auf – ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter. Die Abmessung der Strukturen kann aber auch im Bereich mehrerer Zentimeter liegen.

Die Einsatzmöglichkeiten der gedruckten Glasstrukturen sind vielfältig: Sie können in optischen Komponenten mit komplexen Strukturen für künftige Computergenerationen zum Einsatz kommen, bei Brillengläsern oder Laptop-Kameras. Aber auch für kleinste Analyse-Systeme aus Miniatur-Glasröhrchen für biologische und medizinische Anwendungen bieten sie sich an.

Die Entwicklung des 3-D-Drucks in Glas ist ein Ergebnis der Nachwuchsförderung „NanoMatFutur“, mit der das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Entwicklung von Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft unterstützt.

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Die Formenvielfalt roter Blutkörperchen

Forschungszentrum Jülich

Eine Ursache von Durchblutungsstörungen kann eine veränderte Zähflüssigkeit („Viskosität“) des Blutes sein. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich sowie der Universität Montpellier fanden Hinweise darauf, dass auch die Formbarkeit der roten Blutkörperchen einen entscheidenden Anteil an der Fließfähigkeit des Blutes hat. Im Ruhezustand haben Erythrozyten die Form eines Diskus mit verstärktem Rand. Die Forscher fanden bei Experimenten und Computersimulationen andere Formen. Sie raten nun dazu, Krankheiten, die die Formbarkeit der Blutzellen beeinflussen, auch unter diesem Aspekt zu untersuchen.

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Was den Spin zum Umklappen bringt

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Der Einstein-de Haas Effekt zeigt, dass der Magnetismus auf den Drehimpuls von Elektronen zurückgeht, und gilt als makroskopischer Nachweis des Elektronenspins. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie und am Institut Néel des CNRS Grenoble haben diesen Effekt nun erstmals auf der Ebene eines einzelnen Spins, des Spins eines Quantenmagneten, untersucht und als „Quanten Einstein-de Haas Effekt“ neu formuliert. Dazu befestigten sie ein magnetisches Molekül auf einer Kohlenstoffnanoröhre und maßen den Stromfluss durch diese Anordnung unter Änderung des externen Magnetfelds.

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Fest wie Stahl – aber hundertmal nachgiebiger

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG) 

Feste Materialien sind meist auch sehr steif. Das kann beispielsweise bei Knochenimplantaten zum Problem werden, da diese flexibel sein müssen. Ein neuartiger Verbundwerkstoff, der diese Regel überwinden kann, wurde im Institut für Werkstoffmechanik des HZG in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg entwickelt. Komposite aus porösem Titan und einem Polymer zeigen eine hohe Nachgiebigkeit trotz hoher Festigkeit. Das bedeutet, sie können große Dehnungen im elastischen Bereich aufnehmen, sind aber in puncto Festigkeit mit Materialien wie Stahl vergleichbar.


Eigenspannungen richtig nutzen – sicherer fliegen

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Laser Shock Peening (LSP) ermöglicht die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen in Leichtbaustrukturen. So können Rissentstehung und Rissausbreitung in sicherheitsrelevanten Bauteilen unterdrückt werden. Um ein für diesen Zweck maßgeschneidertes Eigenspannungsprofil einzustellen, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom HZG den LSP-Prozess mit experimentellen und numerischen Methoden, unter anderem mit Unterstützung künstlicher Neuronaler Netze. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer gegenüber nicht modifizierten Proben damit um bis zu 400% gesteigert werden kann. 


Neuer Ansatz zur Vorbeugung gegen Diabetes und Alzheimer

Forschungszentrum Jülich

Amyloid-Ablagerungen in den Langerhans-Inseln der Bauspeicheldrüse gelten als mögliche Ursache für Diabetes mellitus Typ II. Forscher der Uni Düsseldorf und des Forschungszentrums Jülich konnten nachweisen, dass das Bindeprotein Beta-Wrapin „HI18“ die Amyloid-Bildung hemmen kann. Möglicherweise können die Beta-Wrapine damit nicht nur der Diabetes-Entstehung vorbeugen, sondern wirken auch gegen Alzheimer-Demenz und die Parkinson-Krankheit. Die Forscher haben mit der Kernspinresonanz-Spektroskopie die dreidimensionale Struktur des Amylins in atomarer Auflösung untersucht.

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Zuverlässiger molekularer Kippschalter entwickelt

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Die Nanotechnologie macht immer neue Miniaturrekorde möglich. Nun ist es gelungen, einen molekularen Kippschalter zu entwickeln, der nicht nur in der gewählten Position verbleibt, sondern den man auch beliebig oft umlegen kann. Das Grundgerüst des Schalters besteht aus nur wenigen Kohlenstoffatomen. Drei Schwefelatome bilden die Füße, die auf einer glatten Goldoberfläche fixiert sind. Der Kipphebel endet in einer Nitrilgruppe mit einem Stickstoffatom. Indem herkömmliche siliziumbasierte Bauteile durch einzelne Moleküle ersetzt werden, kann man künftig elektronische Schaltkreise konstruieren, die sich mehr als hundertfach enger auf einen Chip integrieren lassen.

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