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Forschung an Materialien für die Zukunft gemeinsam vorantreiben

DFG-Mercator-Fellow Richard D. James von der Universität Minnesota forscht an der Universität Kiel zu Formgedächtnismaterialien

Zur Behandlung von Durchblutungsstörungen des Herzens werden häufig Stents eingesetzt, um die Gefäße offen und damit den Blutstrom aufrecht zu erhalten. Oft bestehen diese ultrafeinen Drahtröhren aus sogenannten Formgedächtnislegierungen: Sie sind in der Lage, sich auch nach einer starken Verformung an ihren Ausgangszustand zu „erinnern“ und in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. So kann sich beispielsweise ein Stent, der über einen kleinen Katheter eingesetzt wird, in der Herzarterie zu seiner eigentlichen Größe entfalten. Diese superelastischen Materialien kommen bereits in vielen medizinischen und technischen Anwendungen zum Einsatz. Eine zentrale Anforderung dafür ist eine ausreichende Lebensdauer. 

Keramiken gelten normalerweise als zu zerbrechlich, um als Formgedächtnismaterialien eingesetzt zu werden. Professor Eckhard Quandt von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und Professor Richard D. James von der Universität Minnesota sehen allerdings großes Potential in ihrer Widerstandsfähigkeit. Sie erforschen keramische Materialien im Rahmen eines Reinhart-Koselleck-Projektes, mit dem die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) besonders innovative Forschungsprojekte fördert. Um die gemeinsame Arbeit noch zu vertiefen, hat Quandt jetzt zusätzlich ein Mercator-Fellowship der DFG eingeworben. Sie ermöglicht James als international anerkanntem Experten für Formgedächtnismaterialien insgesamt ein Jahr an der CAU zu forschen, um die Entwicklung neuer Materialien für Anwendungsbereiche wie Medizin, Industrie und Energie voranzutreiben.


Warum Verformungsprozesse umkehrbar sind

Ausgelöst durch Temperaturänderungen können Formgedächtnismaterialien zwischen unterschiedlichen Formen hin- und herwechseln. Dabei durchlaufen sie auf struktureller Ebene verschiedene Phasen. Da die Phasenübergänge umkehrbar sind, können diese Materialien frühere Zustände wieder einnehmen. „Ich will verstehen, wie diese Phasen ohne Verzerrungen passgenau aneinander anschließen können. Dafür versuchen wir herauszufinden, welche physikalischen Prinzipien bei diesen Veränderungen auf atomarer Ebene wirken“, so Richard D. James, Professor für Aerospace Engineering and Mechanics an der Universität Minnesota. „Superkompatibel“ nennt er die Eigenschaft der Phasen, wenn sie perfekt zusammenpassen. Er und Eckhard Quandt untersuchen diese Eigenschaften bereits seit einigen Jahren im Zusammenhang mit Formgedächtnismaterialien. Künftig wollen sie noch stärker zusammenarbeiten.


Keramische Materialien könnten auch hohen Temperaturen standhalten

„Im aktuellen Projekt wollen wir herausfinden, welche Faktoren die Lebensdauer von Formgedächtnismaterialien beeinflussen und wie sich diese optimieren lassen. So könnten wir neue Materialien entwickeln, die zusätzliche Anwendungen in der Medizin und der Industrie ermöglichen“, erläutert Quandt, Professor für Anorganische Funktionsmaterialien an der CAU.

Einen besonderen Vorteil hätten Formgedächtnismaterialien aus Keramik, die Quandt im Rahmen des Reinhardt Koselleck-Projektes „Kristallographisch kompatible keramische Formgedächtniswerkstoffe“ bereits seit längerem erforscht: Anders als metallische Werkstoffe könnten sie auch bei extremen Bedingungen wie sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, zum Beispiel als Steuerelemente in Verbrennungsmotoren. Bislang ist ihr Verformungsprozess jedoch noch nicht ausreichend reversibel, so dass weitere Forschungsarbeiten notwendig sind.

Ein anderer Fokus der Forschungskooperation liegt auf dem bereits seit langem bekannten Phänomen der sogenannten „Hysterese“: Die Temperatur, bei der ein Material seine Form verändert, kann eine andere sein als die, bei der es in seinen Ursprungszustand zurückkehrt. Ebenfalls bekannt ist, dass sich dieser Temperaturunterschied nahezu beheben lässt, wenn die Veränderungen im Material unter ganz bestimmten, definierten Bedingungen ablaufen. „Wir vermuten, dass dies am besten funktioniert, wenn die komplexen geometrischen Voraussetzungen für superkompatible Phasenübergänge erfüllt sind“, so James. Theorien wie dieser wollen sie im Rahmen des Mercator-Fellowships in den nächsten Monaten nachgehen.


Langjährige Kooperation geht voraus

Eine vielbeachtete Publikation im führenden Wissenschaftsjournal Science war der Ausgangspunkt für die enge wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen James und Quandt, in der mittlerweile einige gemeinsame Publikationen entstanden sind – auch zusammen mit dem Kieler Graduiertenkolleg 2154 „Materials for Brain“. In dem Artikel konnte Quandt 2015 zeigen, wie ein neuartiges Dünnschicht-Formgedächtnismaterial aus einer Titan-Nickel-Kupfer-Legierung bis zu 10 Millionen Belastungszyklen schadlos übersteht. Seiner Arbeitsgruppe ist es mithilfe der Infrastruktur des Kieler Nanolabors gelungen, einen Prozess für die Herstellung hochreiner Materialien zu entwickeln, die unter anderem für Formgedächtniswerkstoffe genutzt werden können. „An qualitativ hochwertigen Ausgangsmaterialien ohne Risse in der Struktur lassen sich Ermüdungserscheinungen durch Belastungen besonders präzise bestimmen“, erläutert Quandt die Kieler Ergebnisse. Durch die Möglichkeit, mithilfe von Dünnschichttechnologie solche Materialien von hoher Qualität zu produzieren, ist bereits eine Ausgründung entstanden.

Mit James arbeitet jetzt einer der international führenden Theoretiker auf dem Gebiet der Formgedächtnismaterialien in dem Forschungsprojekt mit. Beide Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass sie die Forschung auf diesem Gebiet zusammen einen großen Schritt weiterbringen können.

Über Richard D. James

Richard D. James arbeitet als Angewandter Mathematiker und Material- und Ingenieurwissenschaftler an der University of Minnesota. James wurde 1979 an der Johns Hopkins University in Mechanical Engineering promoviert. Als Post-Doktorand war er an der University of Minnesota und ab 1981 als Assistant Professor an der Brown University tätig. 1985 wurde er Associate Professor und 1991 Professor an der University of Minnesota, an der er 1998 Distinguished McKnight University Professor wurde und 2001 Russell J. Penrose Professor wurde. Zu seinen Auszeichnungen gehören neben dem renommierten Vannevar Bush Faculty Fellowship unter anderem die William-Prager-Medal, die Warner-T. Koiter-Medal, der Theodore von Kármán Prize sowie der Humboldt-Forschungspreis. JamesHauptforschungsinteressen sind unter anderem Phasenübergänge in Materialien, vor allem Formgedächtnismaterialien und multiferroische Materialien, sowie die Entwicklung von mathematischen Methoden für ihre Analyse. 

Mercator-Fellows und Reinhart-Koselleck-Förderung der DFG

Mercator-Fellows aus dem In- und Ausland ermöglicht die DFG einen intensiven und langfristigen Austausch mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Rahmen eines Programmes. Dabei forschen die Fellows teilweise vor Ort, stehen aber auch über die Dauer ihres Aufenthaltes hinaus mit dem Beteiligten in engem Kontakt, um mit ihrer Kompetenz einen bedeuteten Mehrwert für das Projekt zu leisten. Reinhart Koselleck-Projekte der DFG eröffnen die Möglichkeit, in hohem Maße innovative und im positiven Sinne risikobehaftete Forschungsprojekte umzusetzen.

Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Quandt
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Anorganische Funktionsmaterialien
eq@tf.uni-kiel.de
+49 431 880-6200
www.tf.uni-kiel.de/matwis/afm/

Richard D. James
University of Minnesota
Distinguished McKnight University Professor, Aerospace Engineering and Mechanics
james@umn.edu
+1612-625-0706
https://dept.aem.umn.edu/~james/research/

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)