Empa 2006: Brücke zwischen Materialforschung und praktischer Anwendung

Lange Jahre haben Materialprüfung und weitere Dienstleistungen das Image der Empa geprägt. Seit fünf Jahren jedoch werde die Empa vermehrt in andere Gewässer geführt, sagte CEO Prof. Dr. Louis Schlapbach an der Jahresmedienkonferenz. So sei letztes Jahr der Forschungsbereich weiter gewachsen. Ausdruck davon ist beispielsweise die stark gestiegene Anzahl Doktorierende. Diese nahm um über ein Drittel auf gut 130 zu. Auch die deutlich höhere Zahl wissenschaftlicher Publikationen ist ein Indikator für die gewachsene Bedeutung des Forschungsstandbeins.

Eine Forscherin und drei Forscher präsentierten an der Jahresmedienkonferenz vom 20. Juni ihre Arbeiten und zeigten so den Medienschaffenden, dass die Empa den Brückenschlag vom Labor zur Praxis in allen Dimensionen angeht – von Nanometer grossen (oder besser kleinen) Objekten bis hin zu den mehrere Hundert Meter langen Brücken.

Kohlenstoff: Grundstoff für neue Technologien

Dr. Pierangelo Gröning, seit April des Jahres Leiter des Departements «Moderne Materialien, ihre Oberflächen und Grenzflächen» stellte das Element Kohlenstoff als „das facettenreichste und spannendste des gesamten Periodensystems“ vor. Als organische Verbindung ist Kohlenstoff der Grundbaustein der Natur, in anorganischer Form – ob als Diamant, Grafit oder Kohlenstofffaser – weist er einzigartige physikalische Eigenschaften auf. 

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Fasern werden daher seit langem in Hightech-Produkten eingesetzt. Die Empa hat deren Potential auch für die Bauwirtschaft bereits früh erkannt und Anfang der 90er-Jahren begonnen, Lamellen aus mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoffen (CFK) zur nachträglichen Verstärkung von Bauwerken und für CFK-Zugelemente – beispielsweise für Hebevorrichtungen – zu entwickeln. Beide Technologien sind heute etabliert und werden vom Empa-Spin-Off Carbo-Link erfolgreich weiterentwickelt und vermarktet.

Auch zu Beginn der 90er-Jahre hat eine neue Form des anorganischen Kohlenstoffs erstmals für Aufsehen gesorgt, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Deren mechanische und elektrische Eigenschaften sind aussergewöhnlich. Die Empa arbeitet mit ihnen in zahlreichen Projekten: Entwicklung neuer CFK, die durch Zugabe von Kohlenstoff-Nanoröhrchen noch stabiler und leichter werden, sowie von transparenten, elektrisch leitenden Schichten, welche als Elektroden in Solarzellen oder als Elektronenquelle für neuartige Flachbildschirme, Mikrowellenverstärker oder Röntgenröhren verwendet werden könnten.

Den Aussichten auf verbesserte Eigenschaften von Werkstoffen und Produkten dank Nanoröhrchen stehen aber auch mögliche Risiken entgegen. Die Empa beschäftigt sich daher im Projekt «Nanorisk» auch mit möglichen Schattenseiten verschiedener Nanopartikel, um die Entwicklung innovativer, sicherer und langfristig erfolgreicher Technologien zu fördern.

Strom aus Wärme: Keramische Materialien für thermoelektrische Wandler
Dr. Anke Weidenkaff, Leiterin der Abteilung «Festkörperchemie und Katalyse», befasst sich in ihrer Forschungstätigkeit mit der so genannten Thermokraft, welche die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und umgekehrt ermöglicht. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für die Energiewandlung zu erzielen, sind Materialien erforderlich, die neben grosser Thermokraft und grosser elektrischer Leitfähigkeit eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Da elektrische und Wärmeleitfähigkeit bei vielen Materialien eng verknüpft sind, kommen als thermoelektrische Energiewandler weder Isolatoren noch Metalle in Frage; am meisten wird von einigen Halbleitern erwartet, die eine ganz bestimmte Anzahl von Ladungsträgern pro Volumen des Materials aufweisen.

Materialien, die auch bei höheren Temperaturen stabil bleiben und Wärme effizient in Strom wandeln, würden es ermöglichen, die Thermokraft für die Nutzung von Sonnenenergie, Erdwärme und sogar Abwärme von Maschinen einzusetzen. Herkömmliche thermoelektrische Materialien mit grossem Energiewandlungs-Wirkungsgrad sind allerdings meist toxisch und an der Luft nicht temperaturstabil. Empa-ForscherInnen entwickeln in einem neuen Projekt seit rund zwei Jahren oxidische Thermoelektrika, z.B. Eisen-, Titan- oder Kalziumoxid. Sie untersuchen die thermoelektrischen Eigenschaften dieser nicht-toxischen Keramiken mit perowskitartigen Strukturen und bringen gezielt strukturelle Änderungen ein. So synthetisierten sie etwa Nanopartikel der Metalloxide, die deutlich verbesserte thermoelektrische Eigenschaften als das Ausgangsmaterial aufwiesen.

Wird das Tumorgewebe anschliessend mit Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet, entstehen aus dem Farbstoff und dem im Gewebe vorhandenen Sauerstoff zellschädigende Substanzen. Als Resultat sterben die Tumorzellen ab. Zur Behandlung von komplexen Oberflächen und Körperhöhlen (z.B. Lippe, Zunge, Mund- und Rachenraum oder Gebärmutter) wird eine flächige Beleuchtung benötigt, die sich flexibel an das zu behandelnde Gewebe anpasst. Der neuartige textile Lichtverteiler der Empa, der auf gestickten polymeren Lichtleitern basiert, ist – anders als bei herkömmlichen Behandlungstechniken – in direktem Kontakt mit der zu behandelnden Körperoberfläche. Er lässt sich zudem leicht formen und drapieren, ist einfach für den behandelnden Arzt zu kontrollieren und reduziert die Einflüsse, die durch Bewegungen des Patienten, z.B. durch die Atmung, entstehen. In Zusammenarbeit mit dem Tierspital Zürich und der Firma Bischoff Textil wurden bereits erste Studien an tierischen Patienten mit viel versprechenden Ergebnissen durchgeführt. Demnächst werden am Universitätsspital Zürich im Rahmen einer klinischen Studie die ersten HumanpatientInnen damit behandelt.

Smarte Materialien im Dienste der Sicherheit: Wie Brücken schwingungssicher werden
Unerwünschte Brückenschwingungen entstehen durch Wind, Verkehr oder Erdbeben. Solche Schwingungen können eine Brücke beschädigen oder, wie die Erfahrungen mit vergangenen Erdbeben zeigen, sogar zum Kollaps führen. Prof. Dr. Masoud Motavalli, Leiter der Abteilung «Ingenieur-Strukturen», zeigte dazu einige eindrückliche Videosequenzen.

Die Frage, die sich die Empa-Fachleute in diesem Zusammenhang stellen, ist, wie die Schwingungsanfälligkeit bereits bestehender oder geplanter Brücken sich vorhersagen lässt. Wie können wir unsere Brücken überwachen? Wie können wir unsere Brücken wieder instand setzen, falls Defizite festgestellt werden? Die Empa arbeitet an möglichen Lösungen, unter anderem entwickelt sie Sensorsysteme und adaptive Schwingungsdämpfer, die gezielt auf die tatsächlich vorhandene Schwingung reagieren; einige dieser adaptiven Systeme werden gerade an einer grossen Hängeseilbrücke in Dubrovnik eingebaut. Es handelt sich dabei um den ersten „Feldversuch“ mit adaptiven Schwingungsdämpfern.

Technologietransfer einerseits – einfacher Kontakt andererseits
Die Empa baute ihren Technologietransfer auch im Jahr 2005 weiter stark aus. Ziel ist es, Ergebnisse aus den Labors mit Partnern aus der Industrie möglichst schnell und effizient in marktfähige Innovationen umzuwandeln und so die Wettbewerbsfähigkeit der Schweizer Wirtschaft zu stärken. Aber auch der umgekehrte Weg, der von «draussen» an die Empa, wurde nicht ausser Acht gelassen. Das neu geschaffene «Portal» ist eine kompetente Kontaktstelle für potenzielle KundInnen und ForschungspartnerInnen: vermittelt den Kontakt zu Experten und Expertinnen der Empa schnell und zuverlässig.

Weitere Informationen

Dr. Michael Hagmann, Leiter Kommunikation, Tel. +41 44 823 45 92,