Ein Fraunhofer Cluster of Excellence fördert die kooperative Entwicklung und Bearbeitung eines systemrelevanten Themas durch eine institutsübergreifende Forschungsstruktur. Organisatorisch entspricht ein Forschungscluster einem »virtuellen Institut«, das sich über mehrere Standorte verteilt. Das Forschungscluster zielt dabei nicht nur auf die temporäre Durchführung eines einzelnen Projekts, sondern verfolgt vielmehr eine Roadmap zur langfristigen Entwicklung eines komplexen Technologietrends.
Ein Fraunhofer Cluster of Excellence zeichnet sich durch schnelle Innovations- und Anpassungsprozesse in Akquise, Forschung, Entwicklung, Produktion, Verwaltung aus:
Um Programmierbare Materialien zu konzipieren und produzieren, führt das Exzellenzcluster die Kompetenzen der Fraunhofer-Institute IWM, IAP, IWU, ICT und IBP zusammen. Gemeinsam beherrschen sie Materialien und Prozesse von der molekularen bis zur makroskopischen Skala. Zusammen mit Partnerinstituten entwickeln sie Programmierbare Materialien exemplarisch in zwei Kernthemen, die sich auf Transporteigenschaften, und mechanische Materialeigenschaften fokussieren, also Eigenschaften, die in üblichen Werkstoffen kaum verändert werden können und somit besonders interessant sind.
Das Ziel des Clusters ist die Einprogrammierung von Logiken in Materialien zur gezielten Veränderung oder Anpassung, beispielsweise der Form oder optischer oder mechanischer Eigenschaften. Im Cluster soll dazu ein Verständnis, Design und Engineering der inneren Struktur von Materialien realisiert werden, das die verschiedenen Größenordnungen von der molekularen Ebene über chemische und strukturelle Eigenschaften (insbesondere an Grenzflächen) bis hin zu makroskopischen Objekten berücksichtigt. Damit wird ein funktionales Bauteildesign durch die Beherrschung der komplexen (inneren) Materialstruktur und dem Programmieren der Materialeigenschaften möglich.
Das technologische Potentialprogrammierbarer Materialien für verschiedene Märkte stellt das Cluster durch Funktionsdemonstratoren dar. Dazu gehören selbstreinigende Membranfilter für Wasseraufbereitungssysteme, Materialien mit programmierbarem Wärmedurchgang für energieeffizientes Wärmemanagement im Maschinenbau, Automotive und Bausektor, durch programmierbare Reibung steuerbare Kupplungs- und Positioniersysteme und ein programmierbares Mikropump- und Filtersystem für medizinische Anwendungen.
Mit dem Exzellenzcluster Programmierbare Materialien sollen die Beteiligten das Forschungsfeld der programmierbaren Materialien mit der Ausbildung einer wissenschaftlichen Gemeinschaft manifestieren, beispielsweise über gemeinsame Veröffentlichungen und eine Konferenzserie, deren Auftakt im Jahr 2020 stattfindet. Im Anschluss an das auf fünf Jahre angelegten Projekt wird das Cluster in eine institutsähnliche Form überführt und somit dauerhaft etabliert.
Das Forschungscluster Programmierbare Materialien wird durch die sechs Kerninstitute Fraunhofer IWM, IAP, IWU, IBP, ITWM und ICT geprägt. Über die Kernthemen Programmierbare Transporteigenschaften und Mechanisch Programmierbare Materialien definieren sie die inhaltliche Ausrichtung des Clusters.
Die Kerninstitute bearbeiten die Kernthemen inhaltlich und decken dabei vom grundlegenden Verständnis der Mechanismen in den Materialien über deren Herstellung im Mikro- und Makrobereich bis hin zum Einsatz in großskaligen Systemen und Anwendungen die gesamte Wertschöpfungskette ab.
Durch Partnerinstitute werden einerseits ergänzende Kompetenzen eingebunden, andererseits soll durch sie in einer späteren Phase die Nutzung programmierbarer Materialien in spezifischen Marktfeldern erprobt werden.
Beraten wird das Cluster durch einen Begleitkreis, der die inhaltliche Zielsetzung und Weiterentwicklung im internationalen Kontext und die Anschlussfähigkeit des Clusters kritisch hinterfragt und entsprechende Empfehlungen an den Lenkungskreis ausspricht.