Neue Materialien: Cooles Zeug

Zwischen Zufall und Berechnung: Mit allen Mitteln suchen Forscher nach neuen Materialien. Sie finden die erstaunlichsten Substanzen.

Damit hatten sie nicht gerechnet: Matthias Mecklenburg und Karl Schulte von der TU Hamburg-Harburg und Rainer Adelung von der Universität Kiel entdeckten im Sommer 2012 per Zufall das bis dahin leichteste Material der Welt – das Aerographit. Eigentlich wollten sie ein fein verästeltes Keramikmaterial aus Zinkoxid mit Kohlenstoff beschichten. Doch das Zinkoxid löste sich auf, und was blieb, war eine dreidimensionale Struktur aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Ein ähnliches Kunststück gelang im Februar 2015 Jeannette Garcia von IBM Research. Die junge Chemikerin entdeckte per Zufall gleich eine ganze neue Klasse von Polymeren. Sie hatte bei einem Laborexperiment schlicht eine Zutat vergessen. Als sie das Gemisch erhitzte, bildete es eine milchige Struktur, die extrem fest wurde.

Das Material überstand selbst Schläge mit dem Hammer unbeschadet. Mithilfe von Labortests und computergestützten Simulationsverfahren fanden Garcia und ihr Team dann heraus, worum es sich bei dem Material handelte: um einen Duroplast, der sich sogar recyceln lässt. Der Kunststoff könnte laut den Forschern unter anderem in der Auto- oder Flugzeugindustrie zum Einsatz kommen.

Solche Zufallsfunde haben Materialforscher immer wieder den entscheidenden Schritt vorangebracht. Doch so gut sie sich erzählen lassen, in Wirklichkeit führt dieser Weg immer seltener zum Ziel. Der wichtigste Grund sind die im-mens steigenden Ansprüche an neue Materialien. Sie müssen immer mehr Eigenschaften in sich vereinen. Für Alfred Ludwig vom Materials Research Department an der Ruhr-Universität Bochum ist das sogar "einer der wichtigsten Trends in der modernen Materialforschung".

Ein Beispiel dafür sind sogenannte Piezokeramiken, die gleichzeitig Aktor und Sensor sind. Auf eine Verformung durch eine äußere Kraft hin bilden sich an ihrer Oberfläche elektrische Ladungen, die sich zur Steuerung nutzen lassen. Umgekehrt lassen sie sich durch das Anlegen einer Spannung verformen. Ein weiterer Trend ist seiner Meinung nach die Kombination von zweidimensionalen Materialien wie Graphen oder Stanen. Sie sind jeweils nur eine Atomschicht dick und besitzen besondere Eigenschaften, leiten beispielsweise elektrischen Strom nahezu verlustfrei. Zusätzlich sollen derartige Materialien noch recycelbar, nachhaltig und vor allem zu einem bezahlbaren Preis verfügbar sein.

Um solche wundersamen Stoffe zu finden, ersetzen Forscher den Zufall lieber durch exakte Berechnungen. Sie suchen den Weg vom Computermodell zum maßgeschneiderten Werkstoff. Claudia Felser, Direktorin am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, hat vor Kurzem gezeigt, wie das geht. Gemeinsam mit Kollegen arbeitet sie an Materialien mit einer überraschenden Eigenschaft: Sie bestehen aus nichtmagnetischen Metallen, die in Kombination jedoch ferromagnetisch sind. Um diese sogenannten Heusler-Verbindungen zu finden, konzipierte Felsers Team zunächst am Computer ihren möglichen Aufbau.

Anschließend stellte es auf Basis seiner Berechnungen eine Legierung aus Mangan, Platin und Gallium im Labor her und testete sie. Wie in der Simulation vorhergesagt, lässt sich das Material durch ein hohes äußeres Magnetfeld stärker magnetisieren als jede andere bislang bekannte Verbindung. Es könnte die Voraussetzung für ein leistungsfähiges Speichermaterial sein.

Selten klappt die Simulation allerdings so glatt. Der Grund ist schlicht: "Es gibt mehr physikalische Effekte, die man nicht kennt, als solche, die wir bislang kennen", sagt Michael Fleck, Materialforscher an der Universität Bayreuth. Moderne Werkstoffe hätten zudem einen sehr komplexen chemischen Aufbau. "Eine entsprechende metallische Hochtemperatur-Superlegierung, wie sie beispielsweise für neue Turbinenschaufeln entwickelt wird, besteht nicht selten aus mehr als neun unterschiedlichen chemischen Elementen, die alle miteinander interagieren", sagt Fleck. Materialforscher Ludwig betont daher: "Es lässt sich nicht alles berechnen, Experimente im Labor werden nach wie vor benötigt."

Und so kommt am Ende doch wieder der Zufall ins Spiel. Voraussetzung dafür ist Fleck zufolge aber, dass Materialforscher ihre eigenen Klischees immer wieder hinterfragen. Ein gutes Beispiel sind seiner Meinung nach auxetische Materialien (siehe Seite 70): Sie stellten bei ihrer Einführung das Dogma auf den Kopf, dass Materialien unter Zugbelastung grundsätzlich schlanker werden. Drückt man auxetische Materialien zusammen, werden sie dicker.

Mitunter genügt sogar ein pfiffiger Trick, um mit einfachsten Mitteln ein Wundermaterial zu entdecken. Die Erfinder des Graphens benutzten lediglich eine Bleistiftmine und einen Tesafilm, um immer feinere Graphitschichten zu erzeugen. Die letzte war nur noch eine einzige Atomlage dick. Forscher dringen damit an die Grenzbereiche der Physik vor und entdecken Materialeigenschaften, die sie zuvor für unmöglich hielten. Auf den folgenden Seiten beschreiben wir ihre faszinierendsten Entdeckungen und erklären, wie sie die Zukunft prägen werden. (bsc)