Notizen


<h2>Starthilfe zur eigenen Forschungsgruppe</h2>
<p>An den Max F. Perutz Laboratories in Wien können promovierte Nachwuchswissenschaftler aus der molekularbiologischen Grundlagenforschung eine eigene Forschergruppe aufbauen. Diesen Sommer startet das Institut das Pilotprojekt ”Vienna International Post-Graduate Program for Molecular Life Science“. Die Max F. Perutz Laboratories sind ein Joint Venture aus Universität Wien und Medizinischer Universität Wien. Nach einer Testphase schreiben sie das Programm auch für andere Forschungsgebiete zweimal jährlich international aus. Der Aufenthalt in Wien und die Unterstützung sind auf drei bis fünf Jahre ausgelegt. Das österreichische Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung und die Stadt Wien unterstützen das Projekt mit 5 Mio. Euro.</p>
<p> <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.mfpl.ac.at/VIPS" target="_blank">www.mfpl.ac.at/VIPS</a></ext-link></p>


<h2>Neue Wissenschaftsministerin in Österreich</h2>
<p>Batrix Karl von der Österreichischen Volkspartei ist seit Ende Januar neue Wissenschaftsministerin Österreichs. Zum Amtsantritt bekräftigte die Juristin ihren Wunsch, die Studiengebühren wieder einzuführen. Ihr Vorgänger Johannes Hahn geht als EU-Kommissar für Regionalpolitik nach Brüssel.</p>


<h2>Hightech-Strategie mit neuem Fokus</h2>
<p>Im Fokus der Hightech-Stategie der Bundesregierung stehen seit Februar die Themen Klima und Energie, Gesundheit, Mobilität, Kommunikation sowie Sicherheit. Damit setzt das Ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Empfehlungen der Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI) um. Die Bundesregierung hat die EFI im Jahr 2006 berufen, damit die Kommission die Regierung wissenschaftlich berät. Die Hightech-Strategie unterstützt Forschungsprojekte, deren Produkte Marktreife erreichen sollen.</p>


<h2>Master of Drug Design</h2>
<p>Ein neuer Masterstudiengang an der FH Campus Wien widmet sich ab September der Wirkstoffchemie. Der viersemestrige Studiengang verknüpft chemisches Know-how mit der roten Biotechnologie und will fit machen für die Medikamentenentwicklung. Auch Firmengründung und strategische Unternehmensführung stehen auf dem Lehrplan — die FH will die Absolventen damit zur Gründung eines eigenen Unternehmens motivieren. In das Masterstudium können alle Bachelor-Absolventen (Uni oder FH) einsteigen.</p>
<p> <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.fh-campuswien.ac.at/" target="_blank">www.fh-campuswien.ac.at/</a></ext-link></p>
<p>index.php?download=2273.pdf</p>


<h2>Neurobiologischer Forscher des Jahres gesucht</h2>
<p>Eppendorf und Science vergeben einen Preis für neurobiologische Forschungsbeiträge. Bewerben können sich bis zum 15. Juni alle Forscher bis 35 Jahre, die mit Methoden der Molekular- und Zellbiologie Herausragendes in der Neurobiologie geleistet haben. Der Preis ist mit 25 000 US-Dollar dotiert. 2009 ging er an Richard Benton, der ungewöhnliche Geruchsrezeptoren bei Insekten gefunden hatte.</p>
<p> <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.eppendorf.com/prize" target="_blank">www.eppendorf.com/prize</a></ext-link></p>


<h2>Wissenschaftsjournalist werden</h2>
<p>Noch bis zum 10. Mai können sich junge Wissenschaftler für das Mentoringprogramm der Initiative Wissenschaftsjournalismus bewerben. Das neunmonatige Stipendienprogramm will Wissenschaftlern den Einstieg in den Journalismus erleichtern. Es besteht aus einem journalistischen Intensivtraining, zwei Redaktionspraktika und einer Arbeitsphase als freier Journalist. Los geht es Mitte September.</p>
<p>Vor allem Chemiker, Ingenieure und Physiker sind aufgefordert, sich zu bewerben. Journalistische Erfahrung ist keine Voraussetzung.</p>
<p>Die Initiative Wissenschaftsjournalismus ist ein gemeinsames Projekt der Robert-Bosch-Stiftung, der BASF und des Stifterverbands für die Deutsche Wissenschaft.</p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.initiative-wissenschaftsjournalismus.de" target="_blank">www.initiative-wissenschaftsjournalismus.de</a></ext-link></p>


<h2>Preis für Solarstromforschung</h2>
<p>Wer eine wissenschaftliche Abschlussarbeit über Photovoltaik angefertigt hat, kann sich bis Ende Juni für den Junior-Einstein-Award bewerben. Das Unternehmen Solar World zeichnet mit dem Preis Nachwuchsforscher aus, deren Arbeiten die Solarstromtechnik weiterentwickelt haben. Preisgeld sind 5000 Euro. Die Verleihung findet im September im spanischen Valencia statt.</p>
<p> <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.einstein-award.de" target="_blank">www.einstein-award.de</a></ext-link></p>



Artikel

Forschung und Bildung

Starthilfe zur eigenen Forschungsgruppe An den Max F. Perutz Laboratories in Wien können promovierte Nachwuchswissenschaftler aus der molekularbiologischen Grundlagenforschung eine eigene Forschergruppe aufbauen. Diesen Sommer startet das Institut das Pilotprojekt ”Vienna International Post-Gradu...

Magazin

Prof.Dr.


<p>Wäre das ideale Material nicht gleichzeitig elastisch wie Gummi und hart wie Stein? In nahezu allen Bereichen der Materialwissenschaften ist man bestrebt, diesem Ideal näher zu kommen. Dieser Wunsch wird auf absehbare Zeit unerfüllt bleiben, wenn man aber genau hinsieht, gibt es durchaus Materialien, die zumindest im Ansatz gegensätzliche mechanische Eigenschaften vereinen. Was zeichnet solche Materialien aus und gibt es Gemeinsamkeiten zwischen diesen Materialklassen? </p>


<h2>Prinzip Heterogenität</h2>
<p>Nahezu jedes Produkt ist aus verschiedensten Komponenten und Materialien aufgebaut. Eine makroskopische Betrachtungsweise zeigt sofort, dass die verschiedenen Materialien unterschiedliche Funktionen haben. Der Wechsel zu einer mikroskopischen Ansicht macht sichtbar, dass auch die Materialien selbst fast nie homogen sind. Sie bestehen z. B. aus verschiedenen Phasen, enthalten Füllstoffe oder Fasern — und das über alle Materialklassen hinweg, egal ob Metall, Polymer oder Keramik. Insbesondere die hochwertigen Materialien mit einem breiten Eigenschaftsprofil zeigen eine ausgeprägte Heterogenität.</p>
<p>Die Frage, ob es so etwas wie ein ”Prinzip der Heterogenität“ in den Materialwissenschaften gibt, stellt sich auch deshalb, weil die Natur es ähnlich macht. Zum Beispiel Perlmutt: Eigentlich ist es nur Calciumcarbonat mit kleinen Anteilen von Eiweißen und Chitin. Auf den ersten Blick würde niemand ein Material mit herausragenden mechanischen Eigenschaften erwarten. Eine Untersuchung einer Perlmutt-Bruchfläche durch Rasterelektronenmikroskopie offenbart aber auf den zweiten Blick ein heterogenes Material mit Schichtstruktur (Abbildung 1). Auch die Calciumcarbonatschichten selbst sind noch unterbrochen. Diese strukturierte Zweiphasigkeit lenkt Risse um, so dass eingebrachte Energie nicht ausreicht, um das Perlmutt zu zerbrechen.</p>
<p>Die beiden Phasen erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Die anorganischen Schichten sorgen für die hohe Festigkeit und das organische Material dazwischen für die Zähigkeit. Letzteres verhindert so einen Sprödbruch. Im Fall des Perlmutts der Abalone (Haliotis tuberculata) sind die anorganischen Schichten etwa 500 Nanometer dick, die Klebstoffschicht dazwischen dagegen nur wenige Nanometer (Abbildung 1). Reste davon sind trotzdem deutlich zu erkennen.</p>
<p>Bei den herausragenden Eigenschaften und der interessanten Struktur, verwundert es nicht, dass es reichlich Ansätze gibt, synthetisches Perlmutt herzustellen — doch das Original ist nach wie vor unerreicht.1, 2)</p>


<h2>Von Bäumen und Polymeren</h2>
<p>Ein anderes Beispiel für die Vorteile eines heterogenen Aufbaus sind Bäume. Sie bestehen im weitesten Sinn aus Zucker und Wasser. Niemand würde aufgrund einer solchen Information auf die guten mechanischen Eigenschaften von Bäumen schließen. Bei näherer Betrachtung ist aber die typische hierarchische Struktur vom Molekül bis zum ganzen Baum zu erkennen: Die einzelnen Cellulosemoleküle wechselwirken über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander und lagern sich zu Fasern zusammen. Die Fasern bilden mit wasserführenden Poren dann das Holz — je nach Detailaufbau mit unterschiedlichen Eigenschaften und damit Aufgaben für das Gesamtsystem Baum. So führt eine scheinbar simple chemische Zusammensetzung durch den geordneten mehrphasigen Aufbau zu einem Material mit herausragenden Eigenschaften.</p>
<p>Auch bei synthetischen Polymeren findet sich oft ein mehrphasiger Aufbau. Teilkristalline Thermoplaste bestehen aus amorphen und kristallinen Anteilen, welche jeweils unterschiedliche Teileigenschaften einbringen. Der mehrphasige Aufbau wird noch augenfälliger bei Kunststoffen mit heterogener Zusammensetzung. Ein bekanntes Beispiel ist das ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Es ist hochfest und gleichzeitig schlagzäh — ein ideales Material für z. B. Gehäuse. Ursache für seine guten Eigenschaften ist eine Phasentrennung: In einer harten Matrix, die für die hohe Festigkeit verantwortlich ist, bilden sich gummiartige Phasen, welche die Zähigkeit bedingen — außerdem sind die beiden Phasen kovalent miteinander verbunden. Wenn sich die Komponenten auf molekularer Ebene mischen und damit ein homogenes Material bilden würden, würde das harte Polymer durch die Gummianteile lediglich weicher.</p>
<p>Auch bei der Zähelastifizierung von Strukturklebstoffen nutzt man die Phasentrennung: Im flüssigen Epoxidharz wird ein Elastomer gelöst, bei der Klebstoffhärtung geht die Löslichkeit verloren, und es bilden sich Gummiphasen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern. Sie machen das ansonsten sprödharte Epoxidharz zäh. Die Entmischung bei der Härtung ist aber nicht vollständig und hängt zusätzlich von den Härtungsbedingungen ab. Deswegen ist der Klebstoff nicht so fest, wie er bei vollständiger Entmischung sein könnte. Außerdem können bei großen Bauteilen die Eigenschaften der Klebstoffe lokal unterschiedlich sein, z. B. je nachdem, wie schnell die Erwärmung und wie die erreichte Temperatur bei der Ofenhärtung war.</p>
<p>Füllstoffe bilden eine weitere, aber bereits bei der Formulierung vorgebildete Phase im Klebstoff. Je nach Partikelgrößenverteilung und Art der Füllstoffe lassen sich die Eigenschaften weiter modifizieren, z.B. die Festigkeit durch Quarzmehl steigern. Wie die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt (Abbildung 2), handelt es sich bei einem ausgehärteten Epoxidharz um ein vielphasiges System: Erst durch die definierte Heterogenität sind die herausragenden Eigenschaften von typischen technischen Klebstoffen erreichbar.</p>
<p>Faserverbundwerkstoffe haben durch die Fasern einen heterogenen Aufbau und die Struktur ist gleichzeitig orientiert. Durch geschickten Aufbau der Faserstruktur entstehen sehr leichte Materialien mit herausragenden mechanischen Eigenschaften. Die Bauteile können bereits dreidimensional geformt sein (Abbildung 3). In den meisten Fällen wird als polymerer Binder für die Fasern ein Epoxidharz verwendet. Da Epoxidharze bei der benötigten Festigkeit eine gewisse Sprödigkeit haben, zielen laufende Arbeiten darauf ab, durch einen heterogenen Aufbau des Harzes — etwa durch Zusatz von Nanopartikeln — die Sprödigkeit zu reduzieren, ohne die Festigkeit zu verringern.</p>


<h2>Geklebter Stahl</h2>
<p>Auch makroskopisch werden Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammen gebracht — idealerweise durch Kleben. Dies sei am Beispiel von Schneidblättern für Steine erläutert (Abbildung 4, Titelbild):3) Wenn die Schneidsegmente aus demselben Stahl bestünden wie das Basisblatt, würden sie sich sehr schnell abnutzen und so hätte das gesamte Blatt nur eine kurze Lebensdauer. Ohne den aufgeklebten Hartmetallbesatz wären standfeste Sägeblätter nicht möglich. Zudem sind die Zähne nach der Abnutzung durch thermisches Debonding vor Ort austauschbar. Dies ist gleichzeitig ein herausragendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit der modernen Klebtechnik.</p>
<p>An Stahl lässt sich gut der Einfluss der Phasenstruktur auf die Eigenschaften demonstrieren. Das metallische Gefüge weist Heterogenitäten auf, die sich in ihrer Größe über bis zu sieben Größenordnungen erstrecken. Nur eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und des Herstellprozesses gewährleisten ein definiertes Eigenschaftsprofil. Insbesondere bei Trip-Stählen (Transformation Induced Plasticity, Trip) kommt man dem Wunschmaterial mit hoher Festigkeit und Reißdehnung näher. Bei gleicher Bruchdehnung sind Trip-Stähle etwa zwei bis drei Mal fester als konventionelle Stähle. Dies wird durch eine feinere und komplexere Gefügestruktur erreicht. Da sich die Gefügestruktur beim Schweißen verändert und damit das Material schwächt, ist das Kleben die beste Fügetechnik, um Bauteile aus derartigen Stählen zu fertigen.</p>
<p>Adhäsion spielt übrigens nicht nur beim Kleben eine wichtige Rolle, sondern auch bei heterogenen Materialien. Die Heterogenität selbst ist nicht allein für die Eigenschaften der Materialien entscheidend, den Ausschlag gibt vielmehr, wie die Phasen miteinander verbunden sind. Dies ist nichts anderes als Adhäsion, und diese intramaterielle Adhäsion unterscheidet sich in nichts von der Adhäsion, die für die makroskopische Haftung beim Kleben, Lackieren oder Bedrucken verantwortlich ist.</p>


<h2>Ausblick</h2>
<p>Ein wichtiges Arbeitsziel in den Materialwissenschaften ist es, die Heterogenität über viele Größenordnungen noch besser zu steuern — vom Molekül bis hin zu Multifunktionsmaterialien, Verbundwerkstoffen und geklebten Bauteilen. Hierfür ist ein grundsätzliches Verständnis von Mischungsphänomenen ebenso notwendig wie für die Adhäsion und Reaktionen in Interphasen. Nur so wird es gelingen, die bereits bekannten Ansätze so umzusetzen, dass sich Anfangseigenschaften und das Alterungsverhalten immer weiter verbessern.</p>
<p>Um die Zusammenhänge zwischen der Heterogenität des Materials und den resultierenden Eigenschaften zu verstehen, sind eine ausgeklügelte Analytik und Simulation über viele Größenordnungen hinweg nötig. Obwohl die Werkzeuge dafür immer besser werden, gibt es aber nach wie vor Teilbereiche, in denen analytische Werkzeuge fehlen etwa die spektroskopische Charakterisierung innerer Grenzschichten.</p>
<p>Um den Einfluss der Heterogenität auf das Eigenschaftsprofil der Materialien simulieren zu können, müssen neue Modelle generiert und in die verfügbaren Softwarepakete integriert werden.4,5) Experimentell wurde in den letzten Jahren der Einfluss von Nanopartikeln auf die Eigenschaften von Polymeren, z. B. auch bei den erwähnten Epoxidharzen,6,7) ausführlich untersucht. Dennoch kann wohl kaum behauptet werden, dass die Zusammenhänge zwischen Phasenstruktur und Eigenschaften verstanden sind.</p>


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
<p>Die Natur macht es vor: Gute Materialien wie Perlmutt haben einen heterogenen Aufbau. Diesem Prinzip folgen auch synthetische Materialien aller Klassen.</p>
<p>Bei der Materialentwicklung wird meist bewusst eine Phasenstruktur aufgebaut. Die Zusammenhänge zwischen Heterogenität und Eigenschaftsprofil sind aber noch nicht annähernd verstanden.</p>
<p>Die Phasenstruktur im Detail zu analysieren, ist nach wie vor sehr schwierig. Einen wichtigen Beitrag liefern Simulationen auf unterschiedlichen Größenskalen vom Molekül bis zum Bauteil.</p>


<p>— — — <b>Andreas Hartwig</b>, Jahrgang 1963, ist kommissarischer Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen und Privatdozent an der Universität Bremen. Der Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Polymersysteme für Klebstoffe und Lacke. Die Arbeiten reichen von der Synthese neuer Komponenten über die Formulierung bis zur Charakterisierung und Integration biologischer Konzepte.</p>
<p>. <i>andreas.hartwig@ifam.fraunhofer.</i>de</p>



<ul>
<li>
<sup>1 </sup>

 
K. Gorna, 
R. Muñoz-Espi, 
F. Gröhn, 
G. Wegner: 
<source>Macromol. Biosci. 
(2007), 
7, 
163–<lpage>173.</lpage>
</li>
<li>
<sup>2 </sup>

 
N. Gehrke, 
N. Nassif, 
N. Pinna, 
M. Antonietti, 
H.S. Gupta, 
H. Cölfen: 
<source>Chem. Mat. 
(2005), 
17, 
6514–<lpage>6516.</lpage>
</li>
<li>
<sup>3 </sup>


H. Schäfer, 
M. Brede, 
J. Kolbe, 
G. C. Stehr, 
U. V. Münz, 
C. Pelshenke, 
T. Glatzel: 
<article-title>Diamond Business</article-title>, 
3/2002, 
25–<lpage>35</lpage>.

</li>
<li>
<sup>4 </sup>

 
N. Dusunceli, 
O. U. Colak: 
<source>Int. J. of Plast. 
(2008), 
24, 
1224–<lpage>1242.</lpage>
</li>
<li>
<sup>5 </sup>

 
V. Kafka: 
<source>ZAMM - J. Appl. Math. and Mech. 
(2006), 
46, 
501–<lpage>509.</lpage>
</li>
<li>
<sup>6 </sup>

 
Y. L. Liang, 
R. A. Pearson: 
<source>Polymer 
(2009), 
50, 
4895–<lpage>4905.</lpage>
</li>
<li>
<sup>7 </sup>

 
A. Hartwig, 
A. Lühring, 
J. Trautmann: 
<source>Macromol. Mat. Eng. 
(2009), 
294, 
363–<lpage>379.</lpage>
</li>
</ul>


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