Intelligente Werkstoffe aus der Natur

Erich-Schmid-Institut in Leoben will Werkstoffe optimieren

Wien/Leoben (pts026/19.06.2000/13:30)

In der modernen Werkstofftechnologie gibt es derzeit zwei Richtungen. Die eine beschäftigt sich mit der Miniatisierung, die andere damit, die Natur zu imitieren. Das Erich Schmid-Institut (ESI) http://www.oeaw.ac.at/esi der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Leoben forscht seit langem daran, Werkstoffen Intelligenz einzuhauchen. Werkstoffe können durch ihren inneren Aufbau für bestimmte Anwendungen optimiert werden. Das Vorbild dazu ist die Natur. Natürliche Werkstoffe wie Holz, Perlmutt oder Knochen sind in ihrem Aufbau auf allen Ebenen optimiert, passen sich den jeweiligen Gegebenheiten an, sind quasi intelligent. Welche Strategien hier von der Natur eingesetzt werden und wie weit sich diese auf technische Entwicklungen übertragen lassen, ist zentraler Bestandteil der Arbeit des ESI, so Peter Fratzl, Leiter des Instituts.

Zur Entwicklung von neuen, noch besseren Werkstoffen wird vom ESI, an dem auch das Institut für Metallphysik der Universität Leoben beteiligt ist, die Struktur natürlicher Werkstoffe wie Holz oder Knochen im Mikro- und Nanobereich untersucht. Die Erforschung biologischer Werkstoffe stecke zwar noch in den Kinderschuhen, meinte Fratzl, doch wenn es gelingen sollte, die genialen Muster der Natur imitieren zu können, eröffne das ungeahnte neue Möglichkeiten für die Industrie. Für die ideale Form des Stoffes sorgt ein adaptives Bauteildesign. Je nach Belastung oder Verwendung wird bei einem Knochen beispielsweise Substanz ab- bzw. aufgebaut. Die zellulare Bauweise und die Verwendung von Nanoverbundmaterial (eine Mischung aus organischen und anorganischen Stoffen) sorgt bei Holz oder Knochen stets dafür, dass lokale Kräfte überall gleich verteilt sind.

Ein junger Baum beispielsweise besticht durch Flexibilität, ein älterer Baum durch Festigkeit. Die Festigkeit hängt vom Winkel der Zellulose-Fasern rund um den Zellkern ab. Je nachdem, ob sich die Fasern parallel oder spiralförmig um den Kern wickeln, steigt bzw. sinkt die Bruchenergie. Der Baum "denkt" und passt sich immer ideal der jeweiligen Situation an. Genau dieses Prinzip versucht das ESI für die Industrie nützlich zu machen. Als weiteres Beispiel für intelligente Werkstoffe nannte Fratzl Perlmutt. Dieses besteht zu 95 Prozent aus Kalzit, einem nicht sehr stabilem Werkstoff. Durch die Zugabe von nur fünf Prozent organischem Materials wird die Festigkeit einer Muschel um das 3.000fache verbessert. Derartige Erkenntnisse sollen in Zukunft mithelfen, Strategien für das "Design" von neuartigen Werkstoffen zu entwerfen.

Zur Bündelung und dem weiteren Ausbau der Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet wurde 1999 im Zuge des K+Programmes der Bundesregierung ein Werkstoff-Kompetenzzentrum gegründet. Am Materials Center Leoben (MLC) sind neben dem ESI noch weitere sieben Institute beteiltigt. Die Aktivitäten der GmbH werden zu 40 Prozent von der Industrie und zu 60 Prozent von der öffentlichen Hand finanziert.

Erich-Schmid-Institut
Institut für Metallphysik der Montanuniversität Leoben
Jahnstr. 12
A-8700 Leoben
Leiter: Univ. Prof. Dr. Peter Fratzl
E-Mail: fratzl@unileoben.ac.at (Ende)