Pictures of the Future    Frühjahr 2003

Leistungsfähige Computer und Roboter beschleunigen die Suche nach neuen Materialien. Forscher können fast beliebige Kombinationen chemischer Elemente erzeugen und ihre Eigenschaften rasch analysieren. Zudem zeigen Simulationen das Verhalten der Werkstoffe von der atomaren Ebene bis zum kompletten Bauteil.

Auf der Suche nach neuen Materialien beschränkten sich Wissenschaftler bisher meist auf die Verbesserung bereits vorhandener Stoffe. Wollte aber ein emsiger Forscher möglichst viele Elementkombinationen für einen völlig neuen Katalysator ausprobieren, stünde er vor einer Herkulesaufgabe. Denn theoretisch hat er das gesamte Periodensystem zur Auswahl. Aus der Misere gibt es heute einen Ausweg: Die Kombinatorische Chemie. Damit können Forscher rasch große Bibliotheken chemischer Verbindungen anlegen. Pipettierroboter und andere Automaten mischen genau definierte Mengen an Grundstoffen und platzieren sie in winzigen Vertiefungen auf festen Trägern; dabei entstehen leicht bis zu 10 000 Kombinationen. Moderne Hochdurchsatz-Analysentechnik testet sie gleichzeitig auf ihre Eigenschaften; Computer werten mit mathematischen Methoden die Daten aus. Ihre Wurzeln hat die Kombinatorische Chemie in der Medikamentenforschung. Inzwischen nutzen auch Materialforscher das Verfahren, vor allem bei der Suche nach Katalysatoren für chemische Reaktionen.

"Wir haben damit zum ersten Mal ein Werkzeug zum Entdecken in der Hand", schwärmt der Katalysatorforscher Wilhelm Maier, Professor an der Universität Saarbrücken. Maier kann in einem Experiment mehr als 200 Materialien testen und charakterisieren, darunter auch exotische, die bei der herkömmlichen Forschung unter den Tisch gefallen wären. Das US-Unternehmen Symyx Technologies schafft in seinen optimierten Verfahren bereits 10 000 Kombinationen – pro Monat. Beim Überprüfen der ersten "Treffer" unter praxisnahen Bedingungen geht man von 3 000 neuen Tests pro Monat aus. Damit beschleunigt die Kombinatorische Chemie die Suche dramatisch. Maier spricht von einem zehn- bis hundertfachen Zeitgewinn gegenüber bisherigen Methoden.

Teilen und Mischen. Das Heidelberger Unternehmen hte AG (High Throughput Experimentation) hat sich auf die Katalysatorforschung spezialisiert. "Wir erzeugen Mischungen von Metalloxiden, die dann auf ihre Eignung als Katalysator für Reaktionen getestet werden", erklärt Geschäftsführer Dirk Demuth. Dabei verwenden die Forscher des Unternehmens unter anderem das so genannte Split-and-pool-Verfahren: 5 000 Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 mm werden in fünf etwa gleiche Portionen aufgeteilt. Jede Portion baden sie in einer anderen Salzlösung z.B. der Metalle Kobalt, Molybdän, Eisen, Mangan oder Vanadium. Die Forscher vereinen alle Kugeln, teilen sie erneut auf und baden sie wieder in den Lösungen – insgesamt fünf Mal.

Die nun auf den Kugeln in unterschiedlichen Zusammensetzungen vorhandenen Metalle überführen sie durch Erhitzen in ihre jeweiligen Oxide. Dann verteilen sie die Kugeln auf Platten mit 384 Löchern und untersuchen sie auf katalytische Aktivität. Nur von den Kugeln, die Erfolg versprechen, analysieren sie die Zusammensetzung der Metalle. "In einem Projekt haben wir z.B. einen Katalysator für eine bestimmte Reaktion gefunden, dessen Ausbeute wie bisher bei mehr als 90 % liegt, der aber bis zu zehnmal haltbarer und zudem vom Material her wesentlich billiger ist", sagt Demuth stolz. Neben der Auftragsforschung für Kunden wie die Chemieunternehmen BASF, Degussa oder den Ölkonzern ChevronTexaco entwickelt hte Wasserstoffspeicher und Katalysatoren für die Entfernung von Stickoxiden aus Autoabgasen. Damit schafft sich hte eine wichtige Datenbasis für die zukünftige simulationsgestützte Materialforschung.

150 000 Kominationen in zwei Jahren. Bei Siemens Corporate Technology (CT) untersuchen Entwickler unter anderem ferromagnetische Werkstoffe, neue Dielektrika für extrem hohe Frequenzen (Gigahertz-Bereich) für Empfangs- und Sendemodule in Handys, piezoelektrische Materialien und Leuchtstoffe für Leuchtdioden. Für diese bringen sie etwa die Elemente Strontium, Barium, Titan und Niob als Oxide in definierten Mischungsverhältnissen auf eine Trägerplatte. Die mehr als 100 entstandenen Varianten werden von einem automatisierten Analysesystem unter die Lupe genommen. In Zusammenarbeit mit der Firma Symyx testeten die Siemens-Wissenschaftler in zwei Jahren 150 000 Kombinationen. "Früher hätte sowas vielleicht zwei Jahrzehnte gedauert", sagt Dr. Wolfgang Rossner. "Wir haben komplex zusammengesetzte Leuchtstoffe entdeckt, die in dünner Schicht auf eine blaue Leuchtdiode aufgetragen in der Summe weißes Licht ergeben. Das wäre ohne Kombinatorik kaum möglich gewesen." Die neuen Leuchtstoffe verleihen Leuchtdioden eine wesentlich naturgetreuere Farbwiedergabe als bisherige Produkte und werden derzeit zur Marktreife entwickelt.

Unendliche Parameter. Für Rossner liegen die Vorteile des Verfahrens aber nicht allein in den beliebigen Kombinationsmöglichkeiten der Ausgangsmaterialien. "Fast noch wichtiger sind die prozesstechnischen Parameter, die wir jetzt ebenfalls in viel größerer Breite untersuchen können", sagt der Materialforscher. Die Eigenschaften eines Leuchtstoffs hängen schließlich nicht nur von der chemischen Zusammensetzung sondern auch von der Verarbeitung ab. So kann es entscheidend sein, in welchen Perioden die Stoffe bei der Herstellung aufgeheizt werden. Oder ob die umgebende Atmosphäre aus Luft oder Wasserstoff besteht. Der Luftsauerstoff wirkt oxidierend, was etwa bei dem Metall Europium die rot leuchtende Variante erzeugt, unter reduzierendem Wasserstoff-Einfluss entsteht die blaue Form. "Die Anzahl der Einflussparameter und deren Kombinationen sind nahezu unendlich", meint Rossner. "Hier kann die Kombinatorik entscheidend dazu beitragen, dass wir schneller und billiger bessere Materialien entdecken."

Einen anderen Weg zum besseren Material beschreitet Dr. Randolf Mock. Er ist Spezialist für Computersimulationen bei CT in München für das Gebiet der Sensor- und Aktorsysteme. Seine Arbeit hat die Serienentwicklung des Piezoaktors für die Dieseleinspritzung (siehe Beitrag Intelligente Werkstoffe und Bild oben) erst ermöglicht. Das zylindrische, piezokeramische Bauelement, das über Spannungspulse die Abgabe von Treibstoff in den Verbrennungsraum steuert, wird von einer Rohrfeder gestützt. Die mit 850 N (entspricht einer Belastung mit 85 kg) gespannte Feder verhindert Zugkräfte an der empfindlichen Keramik und schützt das Bauteil dadurch vor Zerstörung. "Es gab weltweit keinen Hersteller, dessen Federn länger als 100 Stunden gehalten haben", sagt Mock. Das ist zu wenig für ein kritisches Teil, das ein Autoleben lang halten soll.

"Wir haben dann innerhalb von sechs Wochen eine Feder am Computer entwickelt." Die Idee: Die das Bauteil umgebende Metallhülle sollte selbst die Feder sein. "Wir haben Schlitze in das virtuelle Rohr gemacht und dabei auch ganz verrückte Formen ausprobiert", erklärt Mock. Der Forscher setzt für die Simulation auf die Methode der finiten Elemente. "Das ist so, wie wenn man für ein Bauteil am Computer lauter Legosteine verwendet und die Legosteine dann möglichst klein wählt, so dass der Rechenaufwand noch vertretbar ist." Insgesamt besteht die Feder am Computer aus etlichen 10 000 einzelnen Elementen. Das Programm berechnet die Kräfte, die in der Feder bei verschiedenen Belastungen auftreten. Aus den mechanischen Spannungen lässt sich dann relativ gut die Lebensdauer der Feder abschätzen. "In unserem Fall war das so exakt, dass die realen Messwerte nur eine Abweichung von 1 % hatten", berichtet Mock. Er hat lediglich die Form der Feder optimiert und das Material gar nicht verändert, da hier die Produktionsingenieure enge Bedingungen vorgegeben hatten.

Dagegen verbesserten andere Siemens-Forscher um Dr. Wolfgang von Gentzkow in Erlangen ein Komposit-Material am Computer. Ihr Ziel: Eisen, das sich wie Kunststoff verarbeiten lässt. Sie simulierten verschiedene Größen von Eisenpartikeln und deren Verteilung im Kunststoff. Damit das Material die Eigenschaften von Eisen behält, muss der Kunststoffgehalt möglichst niedrig sein. Um die mechanische Stabilität des Werkstoffs zu optimieren, berechneten die Forscher zudem die Haftung der Kunststoffmoleküle an der Oberfläche der Partikel. Der große Vorteil der Simulationen: Die Forscher können sehr schnell beliebige Veränderungen am Material durchspielen, ohne auch nur ein Körnchen davon im Labor analysieren zu müssen.

Ultraschneller Riss. Fernziel der Computer-Werkstoffspezialisten ist die umfassende Simulation von Materialien und Bauteilen ausgehend von der atomaren Struktur oder sogar quantenmechanischen Effekten. Einer der Vorreiter auf dem Gebiet ist Professor Huajian Gao. Die Mitarbeiter des Direktors am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart untersuchen die Entstehung und Ausbreitung von Rissen und kristallinen Versetzungen. Dieses Phänomen ist bis heute physikalisch nicht vollkommen geklärt, ist aber grundlegend für das Verständnis von Materialien. Ein Riss breitet sich mit der sehr hohen Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde aus. Um das sichtbar zu machen, simulierten die Forscher einen Mikrometer großen Würfel mit rund einer Milliarde Atome mit dem idealen Gitter eines Metalls. Der Riss wird erzeugt, indem virtuell einige Atome entfernt werden. Dann lassen die Forscher Zugkräfte auftreten.

Zehn Tage Rechenzeit. Das Computerprogramm berechnet die Position jedes Atoms über eine Zeit von einigen Milliardstel Sekunden. Dabei fallen immense Datenmengen an: Eine der Berechnungen dauerte zehn Tage auf dem IBM-Computer ASCI-White in Kalifornien, einem der schnellsten Supercomputer der Welt, der zehn Teraflops schafft – zehn Billionen Rechenoperationen pro Sekunde. Simulationen über die Ausbreitung von Rissen ergaben, dass an der Spitze eines Risses Tochterrisse mit einer noch höheren Geschwindigkeit entstehen. In der Praxis könnte dieses Ergebnis zur Entwicklung von Werkstoffen führen, in denen Ermüdungsrisse in für die Festigkeit des Bauteils ungefährliche Gegenden abgelenkt werden.

Der Zeitbedarf für solche Berechnungen ist allerdings noch sehr hoch. Doch den Werkstoffen und Bauteilen aus dem Computer kommt wegen der wachsenden Kosten der Materialforschung in der Nano- und Biotechnologie zunehmende Bedeutung zu. Wenn die Rechner einst mächtig genug sind, wird eine neue Ära anbrechen: Dann können Forscher nicht nur die mechanischen, sondern auch die optischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften eines Materials exakt vorhersagen und zwar in Simulationen, die quantenmechanische, atomistische sowie die Methode der finiten Elemente vereinen.

Zur Zeit ist die Anwendung dieses "Multiscale modelling" in der Industrie nach Ansicht von Gao noch etwa fünf bis zehn Jahre entfernt. Allerdings scheint sicher, dass die Simulationen im Supercomputer bei der Entwicklung von Bio-Nano-Technologien eine bedeutende Rolle spielen wird. "Das könnte für die Ingenieure des 21. Jahrhunderts zu einem der wichtigsten Werkzeuge werden", sagt Gao.
                                                                                               Norbert Aschenbrenner