Innovations-Briefing 'Smart Materials' an der Empa: Investition in intelligente Materialien lohnt sich

Innovations-Briefing 'Smart Materials' an der Empa: Investition in intelligente Materialien lohnt sich

(Nanowerk News) Das Thema "Intelligente Materialien und Systeme" hat Zukunft - darüber sind sich Wissenschaftler und Politikerinnen einig. Deshalb lud die Förderagentur für Innovation KTI zum Innovations-Briefing zum Thema "Smart Materials". Interessierte aus Industrie und Forschung informierten sich an der Empa-Akademie über neue Fördermassnahmen des Bundes und das nationale Forschungsprogramm NFP 62 "Smart Materials". Die Empa und andere Forschungsinstitutionen stellten ihre neuesten Forschungsprojekte vor und zeigten, wo Wissenschaft und Unternehmen erfolgreich kooperieren können.

"Wir wollen den KMUs und der Industrie helfen, sich auf dem revolutionären Zukunftsmarkt der "intelligenten Materialien" zu positionieren", fasste Ingrid Kissling-Näf, Leiterin der Förderagentur für Innovation KTI, die Ziele des nationalen Innovations-Briefings am 13. August zusammen. Sie glaube daran, dass mit dem innovativen Thema zahlreiche neue Arbeitsplätze entstehen können und die Schweizer Wirtschaftskraft gestärkt wird. Die von der KTI initiierten Innovations-Briefings - es fanden bereits Veranstaltungen statt zu Themen wie Saubere Technologien für Energie und für Umwelt - dienten dazu, Unternehmer und Forscher zusammenzubringen, um gemeinsame Projekte zu skizzieren und in die Wege zu leiten.

Smart Materials bieten Lösungen für viele Probleme

Wie erfolgreiche Forschungspartnerschaften zustande kommen, davon wusste Josef Keller, Technologietransfer-Experte des Branchenverbands Swissmem, zu berichten: "Schweizer Forscher nehmen in der Wissensgenerierung zwar eine Spitzenposition ein. Doch das garantiert nicht automatisch einen erfolgreichen Wissenstransfer. Denn die Industrie will zuerst ihre ureigensten Probleme gelöst haben." Es gelte zunächst, zu vermitteln und Vertrauen zu schaffen, erläuterte Keller den ZuhörerInnen aus Unternehmen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und des Energiebereichs, der Medizinaltechnik, des Baugewerbes und der Uhrenindustrie. Am Anlass in der Empa-Akademie gab es denn auch Gelegenheiten genug, sich in lockerem Rahmen bei Apéro oder Poster-Ausstellung kennen zu lernen, um von den Ideen oder Fragestellungen des Gegenübers zu erfahren. ExpertInnen von KTI, SNF und Empa-Technologietransfer-Stelle waren bereit, im Gespräch konkrete Tipps zu Förderangeboten abzugeben.

Aus intelligenten, nachgiebigen Materialsystemen lassen sich preiswerte Werkzeuge herstellen. Der Greifarm dieses Roboters ist aus einem Guss gefertigt.

"Smart Materials bieten der Industrie elegante, massgeschneiderte Antworten auf unterschiedlichste Fragen", ist Louis Schlapbach, Präsident der Leitungsgruppe des NFP 62 "Smart Materials" und ehemaliger Direktor der Empa, überzeugt. Die Materialien würden deswegen als intelligent bezeichnet, weil sie sich der Umgebung je nach Situation optimal anpassen können, erklärte Schlapbach. "Smarte Materialien ändern ihre physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften, wenn sie von aussen stimuliert werden. Fällt der Stimulus weg, kehren sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück."

Nationalfonds und KTI bieten finanzielle und organisatorische Hilfestellung

Vorstellbar sei zum Beispiel eine Smart-Material-Schraube für den Einsatz im Medizinalbereich: Eine Fünfzehnjährige mit Beinbruch nach einem Skiunfall benötige keine stabilisierende Schraube für das ganze Leben. Wird die "intelligente" Schraube nach erfolgter Heilung nicht mehr benötigt, könnte sie durch einen äusseren Stimulus angeregt werden, sich vom Gewebe zu lösen und liesse sich so wesentlich leichter operativ entfernen. In dem von Schlapbach geleiteten und vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierten Programm stehen für derartige Projektideen in den nächsten fünf Jahren Mittel in Höhe von 11 Mio. Schweizer Franken bereit. Von 80 Gruppen, die Anfang 2009 eine erste Projektskizze eingereicht hatten, sind vor kurzem 27 eingeladen worden, einen ausführlicheren Antrag auszuarbeiten. Darunter auch sieben Projektanträge der Empa. Das Besondere am NFP 62: Erweisen sich die Projekte dann nach der Startphase als marktfähig, werden sie der KTI zur weiteren Förderung in einem Folgeprojekt mit Industriepartnern empfohlen. So soll sichergestellt werden, dass die Forschungsresultate auch tatsächlich ihren Weg in den Markt finden.

Grosses Spektrum an Einsatzmöglichkeiten

In welchen Bereichen smarte Materialsysteme zum Einsatz kommen können, beleuchteten Ingenieure und Materialwissenschaftler der Empa und anderer Forschungsinstitutionen in verschiedenen Kurzvorträgen. "Eine der schönsten Aufgaben für uns Ingenieure ist es, Materialeigenschaften geschickt und effizient in funktionelle Eigenschaften umzuwandeln, mit den richtigen Anwendungen zu verbinden und daraus innovative Produkte zu schaffen", meinte Paolo Ermanni vom "Institut für Mechanische Systeme" der ETH Zürich und zusammen mit Empa-Forscher Edoardo Mazza Leiter des Empa-Forschungsprogramms "Adaptive Werkstoffsysteme". Die Anwendungen reichen von intelligenten Systemen zur Dämpfung von Vibrationen für Karosserien im Autobau, über Smart Materials für Bauteile in der Raumfahrt, die sich während des Flugs überwachen lassen, bis zu Materialien aus Formgedächtnislegierungen, etwa für Ventile, die sich bei gewissen Temperaturen öffnen beziehungsweise schliessen.

Nicht nur Ventile lassen sich auf diese Weise ansteuern, auch neuartige optische Linsen sind im Blickpunkt der "smarten" Materialforscher. Der ETH-Startup "Optotune" entwickelt an der Empa Linsen, die sich mit "künstlichen Muskeln" verformen lassen. Ziel ist die Nachahmung des menschlichen Auges. Traditionelle Linsensysteme basieren auf starren Linsen, welche mechanisch positioniert werden. Dank elektroaktiven Polymeren (EAP) ist es jedoch möglich, die Linse selbst zu verformen und so die Wirkungsweise des Auges zu kopieren. Dies geschieht durch das kontrollierte Anlegen von elektrischer Spannung, die die Linse in die gewünschte Krümmung bringt.

Das Empa-Luftschiff "Blimp" bewegt sich wie eine Forelle im Wasser: An der Hülle und den "Flossen" befinden sich EAP-Aktuatoren.

Künstliche Muskeln können gar einen Fisch zum Fliegen bringen. Kürzlich segelte ein acht Meter langes Luftschiff durch die Empa-Hallen; es bewegt sich wie eine Forelle im Wasser. An der Hülle und den "Flossen" befinden sich EAP-Aktuatoren. Durch das An- und Abschalten einer elektrischen Spannung dehnen sich diese aus beziehungsweise ziehen sich wieder zusammen. So bewegt sich der "Fisch" geräuschlos und sanft mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde durch die Luft. Ein derartiges Luftschiff eignet sich besonders gut als Beobachtungsplattform für Umwelt- oder Wildtierüberwachung. Das Prinzip lässt sich durchaus auch auf peristaltische Pumpen übertragen.

Ein weiteres Einsatzgebiet sind "Compliant Systems", also nachgiebige Systeme, wie sie die Empa- und ETH-Forschungsinitiative "kompliant.ch" entwickelt. Diese sind flexibel genug, um grosse Verformungen zuzulassen, gleichzeitig aber auch fest genug, um grosse Belastungen auszuhalten. Aus derartigen intelligenten Materialien lassen sich Werkzeuge kostengünstig und aus einem Guss herstellen. Sie sind geometrisch so konstruiert, dass sie Kraft ohne Gelenke übertragen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mechanismen beruht ihre Verformbarkeit nicht auf dem Gleiten starrer Elemente aufeinander, sondern auf elastischer Verformung im Material.

In der Empa-Abteilung "Ingenieur-Strukturen" schliesslich bekämpft eine Forschungsgruppe mit "smarten" Materialien erfolgreich Schwingungen an Schrägseilbrücken. In Zusammenarbeit mit der Industrie entwickelte sie adaptive Schwingungsdämpfer. Diese Feedback-geregelten, "magnetorheologischen Fluiddämpfer" (MR-Dämpfer) verändern ihre Dämpfungskraft je nach tatsächlich vorhandener Seilschwingung: Je heftiger die Seile auf und ab schwingen - dies misst ein Bewegungssensor -, desto grösser wird die Dämpfkraft. So können Ermüdungsbrüche an Litzen verhindert werden. Installiert sind derartige Dämpfer etwa auf der Tudjman-Brücke in Dubrovnik und auf der chinesischen Sutong-Schrägseilbrücke über den Yangtse.

Source: Empa

Muscular Protein Bond -- Strongest Yet Found In Nature

ScienceDaily (Aug. 14, 2009) — A research collaboration between Munich-based biophysicists and a structural biologist in Hamburg is helping to explain why our muscles, and those of other animals, don't simply fall apart under stress. Their findings may have implications for fields as diverse as medical research and nanotechnology.

The real strength of any skeletal muscle doesn't start with exercise; it comes ultimately from nanoscale biological building blocks. One key element is a bond involving titin, a giant among proteins. Titin is considered a molecular "ruler" along which the whole muscle structure is aligned, and it acts as an elastic spring when a muscle is stretched.

Titin plays a role in a wide variety of muscle functions, and these in turn hinge on the stability with which it is anchored in a structure called the sarcomeric Z-disk. Research published in 2006 showed this anchor to be a rare palindromic arrangement of proteins – that is, it "reads" the same way forward and backward – in which two titin molecules are connected by another muscle protein, telethonin. Simulations have pointed toward a network of tight hydrogen bonds linking titin and telethonin as a source of stability. But direct measurements that would further advance this investigation have been lacking, until today's publication of experimental results in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). The authors are Prof. Matthias Rief and Morten Bertz, M.Sc., of the Technische Universität München (TUM) – who also are members of a Munich-based "excellence cluster" called the Center for Integrated Protein Science – and Prof. Matthias Wilmanns of the European Molecular Biology Laboratory in Hamburg.

These first-ever measurements of mechanical stability in the titin-telethonin protein complex show it to be a highly "directed" bond, extremely strong but only along the lines of natural physiological stress. Thus even at the nanoscale, this complex is oriented to resist forces that reflect the macroscale function of the organism – contraction and relaxation of skeletal muscles.

Advanced biological and physical techniques gave the researchers a handle on this nanoscale "anchor" – basically allowing them to pull on the bond from various directions and measure its performance under stress. Single-molecule force spectroscopy was performed on a custom-built atomic force microscope. Well characterized mechanical "fingerprints" made it possible to distinguish single-molecule events from non-specific interactions as well as from multi-molecule events.

Their measurements confirm that in the direction that corresponds to muscular contraction and relaxation, the titin-telethonin complex is the strongest protein bond found so far in nature. When force was applied in different directions, the proteins of the complex slid apart. The bond can be compared to a mechanical hook that holds fast when pulled upward but otherwise uncouples easily.

The researchers anticipate that directedness of protein bonds will be an important concept in studying a variety of other molecular complexes that nature subjects to mechanical strain in living organisms. Better understanding could potentially inform physiological research and biomedical applications. Such insights might also inspire biomimetic research and design for nanotechnology.

The research is supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG grant RI990/3/1.

Origins

Main article: History of nanotechnology

The first use of the concepts in 'nano-technology' (but pre-dating use of that name) was in "There's Plenty of Room at the Bottom," a talk given by physicist Richard Feynman at an American Physical Society meeting at Caltech on December 29, 1959. Feynman described a process by which the ability to manipulate individual atoms and molecules might be developed, using one set of precise tools to build and operate another proportionally smaller set, and so on down to the needed scale. In the course of this, he noted, scaling issues would arise from the changing magnitude of various physical phenomena: gravity would become less important, surface tension and Van der Waals attraction would become more important, etc. This basic idea appears plausible, and exponential assembly enhances it with parallelism to produce a useful quantity of end products. The term "nanotechnology" was defined by Tokyo Science University Professor Norio Taniguchi in a 1974 paper^[2] as follows: "'Nano-technology' mainly consists of the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or by one molecule." In the 1980s the basic idea of this definition was explored in much more depth by Dr. K. Eric Drexler, who promoted the technological significance of nano-scale phenomena and devices through speeches and the books Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (1986) and Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation,^[3] and so the term acquired its current sense. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology is considered the first book on the topic of nanotechnology. Nanotechnology and nanoscience got started in the early 1980s with two major developments; the birth of cluster science and the invention of the scanning tunneling microscope (STM). This development led to the discovery of fullerenes in 1985 and carbon nanotubes a few years later. In another development, the synthesis and properties of semiconductor nanocrystals was studied; this led to a fast increasing number of metal and metal oxide nanoparticles and quantum dots. The atomic force microscope was invented six years after the STM was invented. In 2000, the United States National Nanotechnology Initiative was founded to coordinate Federal nanotechnology research and development.

Nanotechnology

Nanotechnology, shortened to "nanotech", is the study of the control of matter on an atomic and molecular scale. Generally nanotechnology deals with structures of the size 100 nanometers or smaller, and involves developing materials or devices within that size. Nanotechnology is very diverse, ranging from extensions of conventional device physics, to completely new approaches based upon molecular self-assembly, to developing new materials with dimensions on the nanoscale, even to speculation on whether we can directly control matter on the atomic scale.

There has been much debate on the future of implications of nanotechnology. Nanotechnology has the potential to create many new materials and devices with wide-ranging applications, such as in medicine, electronics, and energy production. On the other hand, nanotechnology raises many of the same issues as with any introduction of new technology, including concerns about the toxicity and environmental impact of nanomaterials,^[1] and their potential effects on global economics, as well as speculation about various doomsday scenarios. These concerns have led to a debate among advocacy groups and governments on whether special regulation of nanotechnology is warranted.