Programmierbare Stoffdurchlässigkeit

Im Cluster Programmierbare Materialien beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von Materialien und Verfahren zur Herstellung programmierbar Membranen auf allen Größenskalen. Die Programmierung der Membranen besteht darin, dass Sensorik und Aktorik in die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien integriert werden, wodurch die Membranen autark auf Triggersignale, wie Temperatur oder chemische, biologische und physikalische Spezies bzw. Reize, reagieren und den Stofftransport entsprechend eines festgelegten „Programmes“ steuern. Programmierbare Materialien eröffnen dadurch ein einzigartiges Potenzial für neue Systemlösungen, da sie wesentliche Systemfunktionalitäten selber übernehmen und so Systemteile, wie Sensoren oder Aktoren, in vielen Fällen sinnvoll ersetzen. Dabei wird keine elektrische Energie benötigt; die Prozesse verlaufen autonom, wie es von der Natur durchgeführt ist.

Insofern ist unsere Vision die Umsetzung von energiezufuhr-freien programmierten Materialen als ein Schlüssel für eine energieeffiziente Zukunft. Auf diese Weise begegnen wir globalen Herausforderungen, wie dem Klimawandel oder der Energiewende, die den intelligenten und nachhaltigen Umgang mit Ressourcen erfordern.

Produktentwicklungen

 

Programmierbare Materialien ermöglichen durch eine kontrollierte Material-Struktur Beziehung eine hohe Funktionsintegration und bieten ein besonders hohes Potenzial dort, wo eine hohe Effektivität oder Komfort, ein geringer Platzbedarf oder hohe Individualität gefordert sind.

In der autark schaltenden Membran wurden Programmierbarkeit und Membrantechnologie vereint. Durch funktionelle Additive und gezielte Strukturierung konnten Membranen hergestellt werden, die thermo- bzw. chemoresponsiv den Stofftransport durch die Membran steuern können. So soll in Zukunft bei Anwesenheit von Toxinen die Membran den Durchfluss autark unterbrechen können.

Für ein ressourceneffizientes Arbeiten wurde die Programmierbarkeit genutzt, um komplexe Probleme des Stofftransportes, wie das Fouling in Filtersystemen, zu adressieren. Hierzu wurden Membranen gezielt mit Wirkstoffen beladen und auf den pH-Wechsel während des Reinigungsprozesses programmiert, um eine langfriste Anti-Fouling Wirkung zu erreichen (Kapselmembran). Parallel hierzu wurden elektrisch schaltbare Membranen entwickelt, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine Selbstreinigung durchführen können.

Neben dem Stofftransport in Filtersystemen, ist auch der programmierbare Stofftransport in anderen Feststoffen (außer Membranen) im Fokus.

Im Bereich der Fassaden ist der Bewuchs ein weit verbreitetes Problem, welches wir durch die Herstellung eines Putzes mit einer feuchtigkeits-responsiven Wirkstoffabgabe verhindern wollen.

Gleichzeitig wird an der Herstellung von programmierbaren funktionalen Polymer Kompositen gearbeitet, um diese z.B. in Filtergehäusen oder Membranseparatoren verwenden zu können.

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Entwicklung der Programmierbarkeit

In den bislang vorliegenden Demonstratoren wurden bereits elektrisch schaltbare sowie thermo-, chemo-, pH- und feuchtigkeits-responsive Systeme hergestellt. Diese verschiedenen programmierbaren Materialien erlauben eine Kontrolle über den Stofftransport bzw. die Erzeugung einer definierten Fließ- oder Diffusionskinetik von Stoffen.

Die Institutsübergreifende Kooperation innerhalb des CPM ermöglicht programmierbare Systemlösungen, die als Produkt einer interdisziplinärer Forschung entstanden sind, um den kurzen Entwicklungszyklen unserer Industriepartner Rechnung zu tragen.

Zurzeit wird an einer Material- und Funktionsbibliothek gearbeitet und diese wird stetig erweitert, um neue Anwendungen des programmierbaren Stofftransportes bedienen zu können. In Zukunft wollen wir auch die Kombination von mehreren Triggern in einem System verwirklichen. Damit wird eine komplexe, mit einem Computer vergleichbare, Programmierung von dynamischen Eigenschaftsprofilen von Materialien ermöglicht, die autonom entscheidende und autark arbeitende und daher energiezufuhr-freie Produkte für eine energieeffiziente Zukunft mit sich bringt.

Anwendungen mit denen sich der Cluster befasst, sind beispielweise vollständig bio-basierte Agrarschutzfolien, die als Wasserspeichermanager agieren und den Wassertransport bei einer bestimmten Temperatur oder vorgegebener Feuchtigkeit ermöglichen oder unterbinden. (https://land-innovation-lausitz.de/)

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Publikationen

 

Referierte Zeitschriften

Chalissery, Dilip; Pretsch, Thorsten; Staub, Sarah; Andrä, Heiko, Additive manufacturing of information carriers based on shape memory polyester urethane, Polymers 11/6 (2019) 1005 1-19 Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, ITWM

 

Unreferierte Zeitschriften

Chalissery, Dilip; Pretsch, Thorsten; Staub, Sarah; Kasack, Katharina; Andrä, Heiko; 3D-Druck von QR-Codes mit Formgedächtniseigenschaften, Der Druckspiegel 11-12 (2019) 34-37 Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, ITWM, IZI BB

 

Vorträge

Staub, Sarah
Mikromechanische Simulation des effektiven Materialverhaltens von hochporösen Werkstoffen und Anwendung in Programmierbaren Materialien
ProMatLeben -  1. Doktoranden und Post-Doc Konferenz
Berlin, Deutschland; 03.09.2019 - 04.09.2019

 

Dissertationen

Bacher Lisa
Johannes Gutenberg-Universität in Mainz
Kontinuierliche Prozessentwicklung für die mikrofluidische Verkapselung von festen, flüssigen und leichtflüchtigen Substanzen als Kernmaterial 


Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Einfluss der Prozessierungsparameter auf die Permeationseigenschaften einer PAN-Membran (B)

Herstellung und Charakterisierung von Polyacrylnitril-Membranen unter Variation von Prozessparametern (B)

New programming approaches for shape memory polymers (M)

Neuartige Formgedächtnispolymermaterialien für Membrananwendungen (M)

Optimization of poly (1,4-butylene adipate) synthesis using different catalysts and utilization for shape-memory polyurethane synthesis (M)

Synthesis of polystyrene microparticles via radical polymerization for the controlled delivery of active components (M)

 

Poster

Neumann, Christian
Programmable Materials – Use of microcapsules
7. Workshop Technologieplattform Mikroverkapselung 2019
Bremen, Deutschland; 23.10.2019 bis 24.10.2019

 

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Demonstrator ProWasser