Themenfokusse

Programmierbare Stoffdurchlässigkeit

Die Aktivitäten des Themenfokusses Programmierbare Stoffdurchlässigkeit sind breit gefächert vom Einsatz unkonventioneller Polymere zur Herstellung von Membranen, auf Druckstailität und Permeanz otimierte Membranmorphologien, neue Vefahren gegen Fouling auf Oberflächen bis hin zum Aufau einer Material- und Funktionsbibliothek.

 

 

Programmierbarer Wärmedurchgang

Im Themenfokus Programmierbare Wärmedurchgang untersucht das Cluster verschiedene Mechanismen auf ihre Eignung innerhalb von programmierbaren Materialien, darunter den Phasenwechsel, die elektro-magnetischen Aktivierung, Sorption und Kapillarleitung sowie die Zustandsänderung von Füllstoffen.

Insbesondere Phasenwechsel-Materialien bemessen die Forscher eine bedeutende Rolle zu. Diese Materialien sind allgemein bekannt aus der Anwendung als Gel-Handwärmer, bei dem das Knicken eines integrierten Clips den Phasenwechsel initiiert und gespeicherte Wärme freigibt. Sie bestehen in der Regel aus Salzhydraten, die ausgelöst über einen elektrischen Impuls vom flüssigen in den festen Zustand übergehen können. Das Cluster entwickelt Phasenwechsel-Materialien vor allem für die Anwendung in Gebäude- und Raumhüllen. In diesem Bereich existieren zwar vielfältige Lösungen, doch basieren sie alle auf aufwändiger Sensorik, die für große Flächen zu aufwändig bzw. kostenintensiv ist. Phasenwechsel-Materialien könnten Räume in warmen Phasen durch die Aufnahme von Wärme kühl halten und in kalten Phasen auf Knopfdruck schnell aufheizen. Denkbar wären sie beispielsweise als Umhüllung von weniger oft frequentierten Zimmern wie Besprechungsräumen, die man nicht kostenintensiv heizen, aber dennoch bei Betreten in einer angenehme Raumtemperatur vorfinden möchte. Auch im Quartiersmanagement ermöglichen programmierbare Materialien neue Methoden zur Beeinflussung von Mikroklimaten beispielsweise in Innenstädten. Wenn Hauswände ihre gespeicherte Wärme autark erst Nachts bei klarem Himmel abgeben würden, ließe sich das überhitzen tagsüber vermeiden. Auch in Gewächshäusern zur Temperierung von gepflanzten Kulturen stellen Phasenwechsel Materialien eine interessante Option dar, wenn sie als Temperaturmodule im Wurzelbereich der Pflanzen eingebracht werden.

 

Programmierbare Formänderung und Mechanik

Im Themenfokus Programmierbare Formänderung und Mechanik erforscht das Cluster die Entwicklung von programmierbaren Materialien, die auf mechanischen Elementarzellen basieren. Das beinhaltet die Suche nach funktionalen Elementarstrukturen, die Beherrschung ihrer Programmierung sowie die Optimierung der Produktionsprozesse der Elementarzellen.

Am Anfang der Entwicklung von mechanischen Meta-Materialien steht die Frage, wie eine Einheitszelle aussehen muss, damit sie bestimmte Funktionen erfüllen kann. Die Forscher des Themenfokus setzen dazu zunächst beim Mechanismus an, also beispielsweise eine Torsion oder eine Kontraktion, der dann eine Funktion nach sich zieht. Anhand von Simulationen oder Gedankenexperimenten überlegen sich die Forscher dann, welche Einheitszelle den gewünschten Mechanismus optimal transportieren kann. Die Suche nach solchen Korrelationen möglichst systematisch und automatisiert auszugestalten ist eine weitere Aufgabe des Themenfokus. Eine Herausforderung dabei ist, dass es einen großen Unterschied macht, ob eine einzelne Einheitszelle eine Funktion erfüllt oder ob eine Funktion sich erst durch die Kombination von mehreren oder sogar verschiedenen Zellen möglich wird.

 

Programmierbare Reibung

Im Themenfokus »Programmierbare Reibung« erforscht das Cluster die Möglichkeiten von Materialsystemen, die sich während dem Betrieb autonom dem momentanen Betriebszustand der Anwendung anpassen. Im Gegensatz zur einmaligen Anpassung des Schmierstoffes an das Reibsystem wie es aktuell Stand der Technik ist, wäre dies ein enormer Vorteil.

Besonderes Augenmerk liegt dabei auf neuartigen Lösungsansätzen, die über eine optisch oder elektrostatisch hervorgerufene Veränderung der Reibeigenschaften induziert werden. Durch diese externen Schalter wird die Grenzflächenchemie und damit die  Anlagerung von Molekülen bzw. Interaktionen der beiden Grenzflächen gezielt beeinflusst, womit sich die Reibeigenschaften steuern lassen (Abb.1 a, b).

Fertigung und Skalierung

Der Themenfokus „Fertigung und Skalierung“ beschäftigt sich mit der Entwicklung von Fertigungsmethoden für programmierbare Materialien, um diese kostengünstig herstellen und in Bauteilen verwenden zu können. In erster Linie betrachten die Mitglieder des Themenfokus dazu Materialien, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften programmieren lassen und  beispielsweise eine vorbestimmte Formänderung als Antwort auf einen äußeren Auslöser durchführen können.

Als Ausgangspunkt dienen den Forschern dabei bekannte Grundprinzipien zur Formänderung von Materialien wie auxetische, metastabile oder Miura-Strukturen, um darauf aufbauend Strukturen herzustellen, die eine vorgegebene Gestaltänderung ausführen können. Gefaltete Miura-Strukturen können sich beispielsweise durch eine kontinuierliche Bewegung in nur eine Richtung vollständig entfalten.

Produktentwicklung mit programmierbaren Materialien

Um den Zu- und Umgang mit Programmierbaren Materialien zu ermöglichen, zu erleichtern und die Einsatzschwelle Programmierbarer Materialien soweit wie möglich zu senken, befasst sich der Themenfokus Produktentwicklung mit zwei Schwerpunkten: der Methodenentwicklung und der Systemintegration.

Bei der Methodenentwicklung steht die Erarbeitung intuitiver Werkzeuge für die interdisziplinäre Kommunikation im Design- und Produktenwicklungsprozess im Fokus. Programmierbare Materialien erfordern eine neue Form der interdisziplinären Kollaboration, bei der gewohnte Arbeitsmuster und Komfortzonen von Domänen verlassen werden. Indem Methoden und Tools entwickelt werden, die eine einfache Kommunikation und Arbeit mit Programmierbaren Materialien ermöglichen, kann nicht nur die Zusammenarbeit im Cluster verbessert, sondern auch Partnern und Kunden der Zugang zu Programmierbaren Materialien vereinfacht werden. Um ein solches Entwicklungswerkzeug für möglichst viele Disziplinen nutzbar und zugänglich zu gestalten, müssen mehrere Teilbereiche abgedeckt werden. Die Basis bildet eine