Forschungsprojekt Mit der Natur gegen Materialermüdung

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Forschungsgruppe unter Führung der TU Berlin untersucht in den kommenden vier Jahren die Widerstandsfähigkeit von Holz, Zähnen, Fischknochen und Korallen gegen Mikrorisse, mit dem Ziel, stabilere Materialien zu entwickeln.

Wissenschaftler der Universitäten Erlangen-Nürnberg, Bayreuth und Haifa in Israel, des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, der Charité – Universitätsmedizin Berlin sowie der TU Berlin als Konsortialführerin haben eine neue DFG-Forschungsgruppe gegründet. Sie wird für die kommenden vier Jahre mit einer Summe von 4,5 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, wobei gut zwei Millionen auf die TU Berlin entfallen. Ziel ist die Entwicklung neuer Materialien durch Bioinspiration. Sie sollen widerstandsfähiger sein gegen das gefährliche Phänomen der Materialermüdung, die ohne Vorwarnung zum Materialversagen und damit zu schweren Unfällen führen kann.

„Ein Bruch aufgrund von Materialermüdung ist im täglichen Leben kaum vorherzusagen, weil sich die Schädigung ohne makroskopisch sichtbare Anzeichen über lange Zeiträume aufbaut“, sagt Prof. Dr. Claudia Fleck, Leiterin des Fachgebiets Werkstofftechnik an der TU Berlin und Sprecherin der Forschungsgruppe. Durch vielfach wiederholte Beanspruchung bei kleinen Lasten kommt es zu Mikrorissen, die langsam wachsen. Erst wenn der verbleibende, stabile Querschnitt des Bauteils die Last nicht mehr tragen kann, kommt es unvermutet zum Bruch.

Forschung

Metalle heilen sich selbst

Natur hält wiederkehrenden Belastungen stand

Naturmaterialien sind nun auch für lange Zeiträume ständig wiederkehrenden Belastungen ausgesetzt: Bäume werden vom Wind hin- und her gezerrt, Korallen von den Gezeiten und Meeresströmungen, die natürliche Keramikschicht auf unseren Zähnen übersteht hunderttausende von Kaubewegungen. „Evolutionär sind diese Materialien für ihren Einsatz perfektioniert worden, in ihnen stecken sozusagen Millionen Jahre an Entwicklungszeit durch Versuch und Irrtum“, sagt Claudia Fleck. „Zweige brechen zwar unter ungewöhnlich starken Schneemassen, aber keine Spaziergänger hat je eine spontan kollabierende Tanne gesehen. Auch gesunde Zähne brechen in den seltensten Fällen einfach so. Wir wollen nun besser verstehen, wie die Natur das macht.“

Wechselwirkungen im Fokus

Einige grundlegende Mechanismen sind dabei bereits bekannt. So können mikrostrukturelle Merkmale wie weiche Grenzflächen, Ablagerungen oder die Partikelgröße die Zähigkeit, die Festigkeit oder die plastische Verformbarkeit erhöhen und so die Bildung und das Wachstum von Mikrorissen verhindern. Die neue DFG-Forschungsgruppe will nun diese Wechselwirkungen genau untersuchen und diese Erkenntnisse in die Entwicklung synthetischer Verbundwerkstoffe einfließen lassen. Dabei werden neben spezialisierten mechanischen Testverfahren viele zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden wie Computertomographie, Elektronenmikroskopie oder der Einsatz von Synchrotronstrahlung aus Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen.

Effizientes Design mit modernen Fertigungsverfahren

„Unser interdisziplinäres Team besteht aus Ingenieur*innen, Physikern, Biologen und sogar Zahnärzten, die die einzelnen Teilprojekte zu Holz, Zähnen, Fischknochen und Korallen jeweils gemeinsam bearbeiten“, erzählt Sprecherin Fleck. Dabei wird auch die Strategie der „umgekehrten Biomimetik“ zum Einsatz kommen. Dabei geht es darum, die Natur nicht einfach eins zu eins zu kopieren, sondern die Merkmale und Prinzipien herauszufinden, die wirklich für einen höheren Ermüdungswiderstand essenziell sind. „Das verhindert ein ‚Overdesign‘, bei dem ein Material vielleicht unnötig kompliziert aufgebaut werden müsste oder Eigenschaften bekommt, die im alltäglichen technischen Einsatz gar nicht notwendig sind“, sagt Fleck. Ein weiterer Vorteil, den die Natur nicht hatte: Mit heutigen additiven Fertigungs- und Syntheseverfahren für die Strukturierung von Nanokompositsystemen lassen sich Materialien mit neuen Eigenschaften wesentlich schneller herstellen als über die evolutionäre Entwicklung mit dem Try-and-error-Prinzip.

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Entgrenzung: Die Biologisierung der Technik und die Technisierung der Biologie

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