Nanostrukturierte Materialien

Hochleistungswerkstoffe mit verbesserten und/oder neuartigen Eigenschaften sind Voraussetzung für eine Vielzahl von technischen Innovationen. Darüber hinaus sind sie unverzichtbar, um den steigenden Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung in den Bereichen Energie, Umwelt und Gesundheit zu decken. Die Nanotechnologie gilt als einer der vielversprechendsten Ansätze für die Entwicklung neuartiger Werkstoffe und Fertigungsverfahren.

Nanostrukturierte Materialien und Vorrichtungen machen sich physikalische Phänomene und Eigenschaften zunutze, die durch eine schlichte Verkleinerung der entsprechenden makroskopischen Strukturen nicht zugänglich wären. «Nano» ist daher mehr als lediglich ein weiterer Miniaturisierungsschritt. Um in der Werkstoffforschung und -entwicklung mit Phänomenen im Nanometerbereich umzugehen, müssen physikalische und technische Machbarkeitsgrenzen verschoben werden. Dann ergeben sich aus der rationalen Erklärbarkeit dieser Effekte Ergebnisse und Erkenntnisse, die wesentlich sind für die erfolgreiche Entwicklung von Nanomaterialien und -technologien.

Erfolgsentscheidend sind hierbei ein erstklassiges Niveau in den einschlägigen Gebieten der Physik und Chemie, um die auf der Ebene der Moleküle und Atome auftretenden Phänomene verstehen und beherrschen zu können, sowie das Wissen der Ingenieure, die mithilfe geeigneter Fertigungsmethoden daraus die gewünschten Werkstoffe kreieren. Zur Stärkung ihrer Innovationskraft bei der Entwicklung neuartiger Materialien und Technologien hat die Empa diese wesentlichen Kompetenzen im Forschungsschwerpunkt «Nanostrukturierte Materialien» gebündelt.

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Die physikalischen Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien und Beschichtungen basieren auf subtilen, komplexen Wechselwirkungen der Nanokomponenten, die insbesondere an den Grenzflächen auftreten. Experimentelle Methoden sind bei der Erforschung und Entwicklung solcher Materialien nur begrenzt einsetzbar. Die rechnergestützte Werkstoffkunde ist mit ihren Modellierungs-, Simulations- und Materialdesign-Algorithmen daher zu einem unverzichtbaren Instrument für die Entwicklung und Erprobung von nanostrukturierten Materialien und Vorrichtungen avanciert. Der neue Forschungsbereich, in dem die Empa bereits seit einigen Jahren umfassend tätig ist, ist von strategischer Relevanz und soll daher weiter ausgebaut werden.

Als führende Schweizer Forschungseinrichtung im Bereich nanostrukturierte Materialien, Grenzflächen und Beschichtungen möchte die Empa die anwendungsorientierte Nutzung von nanoskaligen Effekten im Rahmen von Kooperationsprojekten weiter vorantreiben. Auf einem wissenschaftlichen Gebiet, das an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Biologie angesiedelt ist, kann sie sich auf ein breites Spektrum interdisziplinären Knowhows stützen. Im Bereich der nachhaltigen Energietechnik werden beispielsweise Lösungen angestrebt, die von der Dünnschicht-Photovoltaik über die thermoelektrische Energieumwandlung bis hin zu synthetischen Kraftstoffen reichen (siehe Forschungsschwerpunkt «Energie»). Dabei arbeitet die Empa gemeinsam mit der Informations- und Kommunikationstechnologiebranche an neuartigen Werkstoffen und Konzepten; ein Beispiel hierfür sind selbstorganisierende Graphenstrukturen aus Vorläufermolekülen.

Die Empa ist jedoch nicht nur in der Entwicklung von nanoskaligen Materialien aktiv, sondern erforscht auch mögliche Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Im Forschungsschwerpunkt «Gesundheit und Leistungsfähigkeit» wird die Empa hochmoderne In-vitro-Systeme einrichten, um die Sicherheit von Nanowerkstoffen zu beurteilen, bevor diese in grösserem Umfang auf den Markt gebracht werden.