Verehrte Leser*innen,

ist Ihnen auf dem Titel etwas aufgefallen? Nein? Dann schauen Sie noch mal genau hin! Das Logo. Klein, aber entscheidend ist der Unterschied: Sie halten die erste gemeinsame UNIKATE-Ausgabe der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) in den Händen. Hier stellen Wissenschaftler*innen der drei Ruhrgebietsuniversitäten in Duisburg-Essen, Bochum und Dortmund aktuelle Projekte vor, an denen sie gemeinsam arbeiten – von der Nanosäule bis zur modernen Schatzkarte, vom Diamanten aus dem Labor bis zur Technologie von Star Trek.

Die an diesem Heft beteiligten Forscher*innen sind Mitglieder des Profilschwerpunkts „Materials Chain“ und gehen damit einen von vielen notwendigen Schritten, um den Traum von der international führenden Werkstoffregion Ruhr zu realisieren.

Aber der Reihe nach.

Früher hieß es: Der Bergbau ist nicht eines Mannes Sache. Heute spricht man von Teamwork: Im Jahr 2007 gründeten die drei großen Universitäten des Ruhrgebiets, die Ruhr-Universität Bochum (RUB), die Technische Universität Dortmund (TU Dortmund) und die Universität Duisburg-Essen (UDE), die UA Ruhr, um gemeinsam sichtbarer, leistungs- und wettbewerbsfähiger zu sein. Knapp 120.000 Studierende in rund 500 Studiengängen, etwa 1.300 Professor*innen sowie mehr als 300 Millionen Euro Drittmittel im Jahr verdeutlichen Potenzial und Reichweite dieses schlagkräftigen Verbunds. Übersetzt man die nüchternen Zahlen in die Möglichkeiten, die sie eröffnen, so bedeutet das: Die drei Universitäten bilden die Grundpfeiler. Lebendig ist die UA Ruhr insbesondere durch das sowohl geografisch als auch thematisch eindrucksvolle und vielfältige Umfeld aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen, durch kreative und kluge Köpfe. Kirchturmdenken hat hier keinen Platz.

In der Materials Chain verbinden sich Vergangenheit und Zukunft des Ruhrgebiets: Innovative Werkstoffe wie nahtlose Eisenbahnreifen und nichtrostende Stähle haben die Region in früheren Zeiten stark gemacht. Auch heute noch treibt die moderne Werkstoff- und Material-forschung die Hightech-Entwicklung an. Konsequenterweise wurde daher Anfang 2015 die „Materials Chain“ als erster gemeinsamer Profilschwerpunkt der UA Ruhr ins Leben gerufen. Darunter verzahnen wir seither unsere Material-, Werkstoff- und Produktionswissenschaften, denen bei der Lösung drängender Zukunftsfragen eine besondere Bedeutung zukommt. Ob es um witterungsbeständige Baustoffe geht, um Speichermöglichkeiten für Energie aus nachhaltigen Quellen oder um heilungsfördernde Beschichtungen bei medizinischen Implantaten: Neue Materialien und Werkstoffe ermöglichen einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen und werden in der Energieversorgung, Mobilität oder Medizin dringend benötigt. Unser gemeinsames Ziel ist es, das Ruhrgebiet als Region der Werkstoffwissenschaften national und international stärker zu etablieren und einen gemeinsamen Studienraum mit hochschulüber-greifender Lehre zu gestalten. Denn die Materials Chain ist einmalig in Deutschland. Sie deckt nahezu alle Materialklassen – ob Metall, Keramik oder Kunststoff – und die gesamte Wertschöpfungskette ab. Hier ist die Analytik von Materialien auf atomarer Ebene ebenso möglich wie die Optimierung produktionstechnischer Anlagen.

Die Basis hierfür bildet die exzellente und kooperative Forschung, die sich unter anderem in zahlreichen kooperativen Projekten der DFG, beispielsweise den Sonderforschungsbereichen, oder EU-geförderten Projekten zeigt. Generell gliedert sich der Profilschwerpunkt „Materials Chain“ in sechs große Forschungsbereiche (siehe Abb.).

Von der Entdeckung bis zur Anwendung:
Von ersten Proben eines neuentdeckten Materials über die Optimierung der Struktur, der Eigenschaften und der Verarbeitungstechniken bis zum fertigen Prototypen eines marktreifen Produkts. Experimentelle Charakterisierung, Modellierung und Simulation sowie die Datenanalyse begleiten die Kette vom Atom bis zur angewandten Technologie bzw. zum finalen Bauteil.

Quelle: Materials Chain

UNIKATE 48 - Materials Chain
UNIKATE 48 - Materials Chain - Wolfgang Tillmann, Jörg Schröder, Ralf Drautz. Foto: Max Greve

Wolfgang Tillmann, Jörg Schröder, Ralf Drautz. Foto: Max Greve

Wissenschaftler*innen aus Chemie, Physik, Biologie, den Ingenieurwissenschaften und der Medizin kooperieren von der Grundlagenforschung über die Funktionalisierung bis hin zum Bau von Prototypen. Sie ergänzen sich in Methoden zur Charakterisierung, Modellierung und Simulation und in der Datenanalyse.

Die interdisziplinäre Kooperation ermöglicht es, Materialien ganzheitlich zu erforschen. Die umfassende Expertise der beteiligten Universitäten wird durch die Zusammenarbeit mit außeruniversitären Einrichtungen noch ergänzt. Die UA Ruhr arbeitet schon lange mit Partnern im regionalen Umfeld zusammen und will diese ebenfalls in das Netzwerk integrieren. Langjährig auf diesem Gebiet etabliert ist zum Beispiel die Kooperation mit drei Max-Planck-Instituten – für Eisenforschung in Düsseldorf und für Kohlenforschung sowie für chemische Energiekonversion in Mülheim. Fachhochschulen der Region sollen ebenfalls miteinbezogen werden.

Für die Zukunft stellt sich die UA Ruhr mit der Materials Chain als international sichtbarer und konkurrenzfähiger Verbund auf: Dieser wirkt profilbildend für die ganze Region. Eine solch starke Positionierung können die einzelnen Standorte nur gemeinsam erzielen, da sie durch die Verknüpfung ihrer komplementären Forschungsexpertisen die „kritische Masse“ im internationalen Wettbewerb erreichen. Aus dem breit gefächerten Profilschwerpunkt ergeben sich zahlreiche Projekte, die in den unterschiedlichsten Förderprogrammen gute Chancen haben. Das Potenzial der Materials Chain in vernetzter Lehre und Forschung ist mannigfach – und noch lange nicht erschöpft. Hierbei kommt dem Mercator Research Center Ruhr, kurz MERCUR, eine besondere Bedeutung zu. Im Jahr 2010 hat die Stiftung Mercator zusammen mit den drei Ruhrgebietsuniversitäten das Research Center gegründet. Es fördert insbesondere bi- und trilaterale Projekte zwischen den Standorten und standortübergreifende Professuren. Bislang wurden mehr als 170 zumeist kooperative Forschungs- und Lehrprojekte mit über 20 Millionen Euro gefördert. Die Materials Chain profitiert dabei enorm von den Strukturen, die in den vergangenen Jahren, auch durch die Unterstützung von MERCUR, gewachsen sind.

In dieser besonderen UNIKATE-Ausgabe sind alle vorgestellten Projekte kooperativ.

Das bedeutet: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von zwei oder sogar allen drei Universitäten forschen gemeinsam zu einem Thema. Die Themenvielfalt in diesem Heft spiegelt somit auch die wissenschaftliche Breite und Expertise der Materials Chain wider: So geht es zum Beispiel um die Entwicklung nanostrukturierter Materialien zur Leistungssteigerung von Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones oder Elektroautos zum Einsatz kommen. In der Zusammenarbeit von Materialforschung und Informatik steht eine virtuelle Bibliothek für innovative Materialien im Fokus: mit wenigen Angaben zum geeigneten Werkstoff. Apropos geeignet: Dass Silber schon in der Antike wegen seiner antibakteriellen Wirkung verwendet wurde, ist bekannt. Aber wie groß ist das therapeutische Fenster wirklich? Dieser Frage widmet sich ein weiteres Projektteam. Um Flugzeuge und Windkraftanlagen geht es dagegen in einem Projekt, das Schädigungsprozesse am Computer simuliert. Die Forscher entwickeln ein Modell, das schon im Voraus zeigt, an welchen Stellen optimiert werden muss.

Dieses sind nur einige Beispiele für Forschungsprojekte, die Sie in diesen UNIKATEN finden. Bei der Lektüre werden Sie zum einen feststellen, wie vielfältig, bunt, exzellent und spannend die Materialforschung in der UA Ruhr ist. Zum anderen werden Sie erahnen, wie viel „Manpower“, Kreativität, Expertise und wissenschaftliche Infrastruktur der Verbund zu bieten hat. Diese Breite und die Expertise erlaubt es uns, ganze Prozessketten zu untersuchen und zu verbessern.

„[Denn] wären wir in der Lage, die Energie des Sonnenlichts vollständig in einer lagerbaren Form zu speichern, dann könnten wir in nur einer Stunde genug Ressourcen ansammeln, um den weltweiten Energiebedarf eines ganzen Jahres zu decken.“

Noch Fragen?


Jörg Schröder
(Universität Duisburg-Essen)

Ralf Drautz
(Ruhr-Universität Bochum)

Wolfgang Tillmann
(Technische Universität Dortmund)

(Wissenschaftliche Koordinatoren der Materials Chain)


Silizium-Kohlenstoff-Komposite als Speichermaterialien für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie

Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten weltweit an der Erhöhung der Kapazität von Aktivmaterialien, den Komponenten der Batterie, die innerhalb der Elektroden für die Speicherung der elektrischen Energie zuständig sind. Für Anode und Kathode sind inzwischen Materialien bekannt, die deutlich höhere Kapazitäten ermöglichen als bisher. Ihre potenzielle Nutzung hängt jedoch ganz wesentlich davon ab, inwieweit sich diese Materialien stabil und zuverlässig einbauen lassen.


NV(Stickstoff-Fehlstellen)-Zentren in hochreinen Diamant-Einkristallen

Mit der Frage nach Kristallgitterverunreinigungen im Diamanten beschäftigt sich dieser Text. Diese sogenannten NV-Zentren haben ein enormes Potenzial für Anwendungen wie Biosensoren für die Medizintechnik oder Quantencomputer.


Photoaktive Oxidmaterialien für den sichtbaren Spektralbereich

Wären wir in der Lage, die Energie des Sonnenlichtes vollständig in einer lagerbaren Form zu speichern, dann könnten wir in nur einer Stunde genug Ressourcen ansammeln, um den weltweiten Energiebedarf eines ganzen Jahres zu decken.
Das Problem dabei ist aber, dass sich Licht nicht so einfach speichern lässt.


Kombination von Mikrobrennstoffzellen und Hochdurchsatzmethoden zur Entwicklung innovativer Brennstoffzellenkatalysatoren

Die Nadel im Heuhaufen zu suchen erscheint bisweilen einfacher als neue Materialien für verbesserte Brennstoffzellen zu finden. Methoden der kombinatorischen Materialentwicklung versuchen Abhilfe zu schaffen


Datenanalyse für das Design neuer Materialien

In dem Projekt „Data Driven Materials Design“ lag der Schwerpunkt einerseits auf dem Abgleich von Daten aus Modellierung und Experiment sowie im Auffinden von Korrelationen von Eigenschaften des Materials und seiner Zusammensetzung wie auch die Relation zwischen Materialeigenschaften und Prozessparametern.


Optimierung von mechanischen Schädigungsprozessen

Mechanische Bauteile unterliegen äußeren Einwirkungen – Druck- und Zugkräfte verändern ihre Form und Eigenschaften. Neben Verformungen kann es dabei auch zu Schädigungen des Materials kommen. In der Praxis wird häufig ein gewisser Schädigungsgrad hingenommen, da schädigungsfreie Bauteile zu schwer, zu teuer oder nicht realisierbar sind, wie beispielsweise im Flugzeugbau. Umso wichtiger ist es, den Umfang der sich einstellenden Schädigung genau vorhersagen und kontrollieren zu können, um ein gefährliches Versagen des Bauteils auszuschließen.


Simulationstechniken der Strömungsmechanik in der Materials Chain

Dieser Beitrag handelt von numerischen Strömungssimulationen. Heute, 200 Jahre nach ihrer Formulierung, basieren die Simulationen auf Hochleistungscomputern auf den sogenannten Navier-Stokes-Gleichungen.


Optische Sensoren mit Terahertz-Durchblick

Einen kompakten Materialsensor, der eine Vielzahl von Materialien zuverlässig erkennen kann, sich mobil einsetzen lässt und am besten auch noch gleich den genauen Ort des untersuchten Objekts erkennt, gibt es noch nicht. Aber die Entwicklungsgeschichte zeigt uns: Es besteht Hoffnung.


Nanoskalige magnetische Hybridsysteme

Für die Anwendungen magnetischer Nanostrukturen im Alltag (Datenspeicherung, Kontrastmittel in der Kernspinresonanztomographie, Hyperthermie zur Tumorbehandlung, in Ferrofluiden in Lautsprechern) werden ganz unterschiedliche magnetische Eigenschaften benötigt. Heiko Wende untersucht diese in neuen nanoskaligen magnetischen Hybridsystemen.


Einfluss der spanenden Oberflächenkonditionierung auf die lokale dissipierte Reibleistung hochbelasteter Funktionsflächen

Durch die in diesem Artikel vorgestellte kombinierte Betrachtungsmethode lassen sich flankiert durch die Oberflächenanalyse alle Orte einer (Reibungs-)Kontaktfläche finden, bei denen entweder aufgrund der Topographie oder der Mikrostruktur Bereiche auftreten, an denen mit Verschleiß zu rechnen ist. Dies würde sofort eine gezielte Optimierung durch werkstoff- und fertigungstechnische Maßnahmen ermöglichen.


Neue Funktionalitäten mittels magnetischer Nano-Hybride

Zukunftsmusik wird in diesem etwas anderen Text groß geschrieben. Im Jahr 2041 machen Anna und Viktor einen Streifzug durch alle Errungenschaften, die ihnen magnetische Nano-Hybride gebracht haben.


Synthese, Charakterisierung und biologische Wirkung

Silber findet heutzutage Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen wie antibakteriellen Beschichtungen von Mobiltelefonen, Kühlschränken, Türklinken, antibakteriell wirksamen Kosmetika und geruchshemmenden Textilien und Sprays.
Insbesondere Silber in Form von Nanopartikeln hat in den letzten 20 Jahren eine zunehmende Prominenz erlangt. In diesem Artikel geht es um Silber als antibakteriellen Wirkstoff.