Italienischer Staatsbürger macht Deutschland und Italien alle Ehre

Gianaurelio Cuniberti, Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik an der TU Dresden, widmet sich der Erforschung und Entwicklung innovativer Werkstoffe. Zusammen mit seiner  Forschungsgruppe an der TU Dresden hat er durch die Endwicklung der OLEDs bereits maßgeblich zum Fortschritt der heutigen Smart Phone-Technologie beigetragen.

Lesen Sie hier das in der FAZ am 4. April von Hadi Stiel mit Hrn. Prof. Cuniberti geführte Interview zum Thema „Smart Materials- Intelligente Werkstoffe erobern den Markt“.

Smart Materials
„Intelligente Werkstoffe erobern den Markt“

Smart Materials sind dabei, als Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften die Aufgaben von Mess-, Steuer- und Regelkreisen zu übernehmen. Wie weit diese Entwicklung mittlerweile vorangeschritten ist und wo noch Nachholbedarf besteht, erklärt Gianaurelio Cuniberti, Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik an der TU Dresden.

Welche intelligenten Werkstoffe sind in ihrer Entwicklung in Richtung Anwendung besonders weit vorangeschritten?
Smart Materials haben die rasante Entwicklung in der Mikroelektronik eröffnet. Sie haben zu den revolutionären Durchbrüchen in der Siliziumtechnologie beigetragen. Weitere einsatzreife Beispiele, die durch intelligente Materialien, die denken, fühlen, handeln und sich automatisch ihrer Umgebung anpassen, sind bruchsicheres Glas für Smartphones, leichte und gleichzeitig mechanisch belastbare Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau und hocheffiziente Batterien und Akkus der neuesten Generation. OLEDs, die maßgeblich an der TU in Dresden entwickelt wurden und massenhafte Anwendung in Smartphone-Displays finden, sind ein weiteres gutes Beispiel dafür, wie grundlegende Entdeckungen aus den Naturwissenschaften schnell den Markt erobern können. Smarte Materialien wie zweidimensionaler Kohlenstoff, Formgedächtnislegierungen und schaltbare Polymere sind in der Forschung zumindest schon so weit vorangeschritten, dass sie voraussichtlich in den nächsten Jahren den Sprung in die technische Anwendung schaffen werden.

Welche Industriezweige dürfen binnen der nächsten Jahre besonders stark vom Einsatz welcher intelligenten Werkstoffe profitieren?

Branchen wie die Medizintechnik, die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrt werden in den kommenden Jahren die Profiteure intelligenter Materialien sein. Statt Funktionen aufwendig durch Mess-, Steuer- und Regelkreise nachträglich in Strukturen einzubauen, können in diesen Industriezweigen komplexe Funktionen einfach und schnell mittels Smart Materials realisiert werden. Treibende Faktoren für diese kurz- bis mittelfristig voraussehbare Entwicklung werden auf der Nachfrageseite die steigenden Erwartungen an die Funktionalität sein, aber auch der wirtschaftliche, ressourcen- und energieeffiziente Einsatz der smarten Materialien. Parallel wird die Entdeckung neuer Materialien immer schneller vonstattengehen. Über computergestützte Simulationen kann gezielt nach Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften gesucht werden, um im nächsten Schritt nur die vielversprechenden Kandidaten in der Praxis zu testen. Die Zeit zwischen Entdeckung und Marktreife eines neuen Materials wird sich so von vormals über 20 Jahren auf 5 Jahre oder weniger reduzieren.

Bei welchen intelligenten Werkstoffen tun sich derzeit die Forscher noch schwer?

Die größten Probleme ergeben sich beim Transfer von der Grundlagen- in die angewandte Forschung, nicht bei der abschließenden Umsetzung ins Produkt. Ein Beispiel dafür sind Materialien für medizinische Anwendungen. Sie finden zudem nur sehr langsam den Zugang zur Markt- und Serienreife, da hier hohe Standards hinsichtlich Sicherheit und Biokompatibilität erfüllt werden müssen. Auch nanostrukturierte Materialien, also solche, deren Eigenschaften auf der Größenskala eines milliardstel Meters definiert werden, bieten zwar viele Perspektiven für die Anwendung, kommen aber oft nicht über das Stadium von Demonstratoren hinaus. Das erschwert und verlangsamt den Übergang von Forschung zur Entwicklung. Außerdem fehlt es bei der Erforschung nanostrukturierter Materialien meist an einer ganzheitlichen Denkweise, um die Lücken zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung zu schließen. Es müsste also bereits bei der Materialentwicklung mehr an die spätere Verarbeitung gedacht und auf die Bedürfnisse der Konstrukteure eingegangen werden. Wir an der TU Dresden wenden viel Mühe für den Austausch zwischen Naturwissenschaftlern und Ingenieuren auf, um auf beiden Seiten das Bewusstsein für die Denkweisen und technologischen Anforderungen zu schärfen.

Welche Wechselwirkungen sehen Sie zwischen Industrie 4.0, also der Digitalisierung von Produktions- und Fertigungsschritten, und der Anwendung intelligenter Werkstoffe?

Industrie 4.0 beruht auf der durchgängigen Digitalisierung von Fertigungs- und Produktionsschritten, aber vor allem auf deren Verzahnung durch intelligente und digital vernetzte Systeme. Der gesamte Produktlebenszyklus von Entwicklung, Fertigung, Nutzung und Wartung bis hin zum Recycling soll über einen automatischen Informationsaustausch zwischen den Abschnitten verbunden werden. Digitale Prozesse wie der 3D-Druck von Kunststoffen, Keramik oder Metallen passen gut in dieses Bild, denn sie eröffnen eine intensive Kontrolle einzelner Fertigungsschritte und eine hochgradige Individualisierung und Dezentralisierung der Produktion. Dazu muss allerdings die Materialforschung und -entwicklung Schritt halten. Das heißt, die Materialdaten – sowohl hinsichtlich grundlegender Charakteristika und Funktionalitäten als auch zur Materialgeschichte – müssen während des gesamten Produktions- und Lebenszyklus direkt im Zugriff stehen, um sie direkt in die Prozesse einspeisen zu können.

Künftig wird künstliche Intelligenz die Suche nach neuen Materialien und deren Daten übernehmen und aus vielen tausend wissenschaftlichen Publikationen die relevanten Daten extrahieren und bereitstellen. Die ultimative Vision ist, dass die Maschinen selbst die Suche nach neuen Materialien über sogenannte Unsupervised Discoveries anstoßen. Der Computer prüft eine große Anzahl an chemischen Zusammensetzungen, schließt automatisch in die Irre führende Wege aus, simuliert die grundlegenden Charakteristika des Materials sowie dessen Integration in die Produktion und Nutzung und liefert nach wenigen Minuten das passende Material zusammen mit einer genauen Anleitung, wie es herzustellen und zu verarbeiten ist.

Das Interview führte Hadi Stiel.

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