Prof. Dr. Dr. h.c. Markus Rettenmayr: Erforschung neuer Werkstoffe für die Herstellung maßgeschneiderter Bauteile und Produkte

Wir können heute davon ausgehen, dass bereits vor 4.000 Jahren in der Bronzezeit im mitteldeutschen Raum Materialforschung im Sinne ­gezielter Einstellung von Eigenschaften in Werkstoffen und Werkstücken stattfand. Mit der Zusammenarbeit des Jenaer Physikprofessors Ernst Abbe und dem Glasforscher Otto Schott über Lithiumgläser, die Otto Schott 1882 nach Jena führte, beginnt aber das Zeitalter der Materialwissenschaft in Thüringen im heutigen Sinne.

Das Otto-Schott-In­­s­­titut für Ma­­ter­ial­­forschung, das 2013 aus der Fusion zweier Institute der Fried­rich­­Schiller-Universität in Jena entstand, führt die moderne Material­forsch­ung in Thüringen fort. Heute wird das vollständige Portfo­lio der Materialforschung in allen Werk­­stoffklassen aktiv bearbeitet.

Das Institut ist aufgebaut aus den Lehr­­stühlen für Glaschemie 1 und 2, für Metall­ische Werkstoffe, für Materialwissenschaft, und aus den Professuren für Oberflächen- und Grenzflächentechnologien, für Modellieren und Simulation sowie für Mechanik der funktionellen Ma­­terialien. Dazu kommt die Juniorprofessur für Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen in Gläsern und eine gemeinsam von der Friedrich-Schiller-Universität und dem Institut für Photonische Technologien berufene Professur für Faseroptik. Insgesamt sind am Institut ca. 100 Mit­ar­bei­ter beschäftigt, davon deutlich mehr als die Hälfte über von externen Geldgebern eingeworbene Drittmittel.

Das Otto-Schott-Institut beschäftigt sich einerseits mit grund­­legenden Fragestellungen der Materialwissen­schaft mit dem Ziel, Mechanismen auf die Spur zu kommen, die für bestimmte Materialeigenschaften verantwortlich sind. Dabei werden funktionelle und strukturelle Werkstoffe gleichermaßen behandelt. Beispiele für solche Fragestellungen sind etwa der Einfluss von Druckeffekten auf die Struktur von Glas, die Herstellbarkeit keramischer Nanopartikel durch Verdampfen im Laserstrahl, die Funktionsweise von Reibung und Verschleiß auf atomarer Ebene oder der Ein­­fluss der Ober­­flächenrauheit auf die Adhäsion von Bakterien. Aus den genannten Beispielen wird aber auch unmittelbar deutlich, dass der Weg von der Grund­­lage in die Anwendung in der Materialwissenschaft äußerst kurz ist: Mit optimierter Glas­­struktur lassen sich ultrafeste Gläser herstellen, die im Leicht­­bau und unter Sicherheitsaspekten Anwendung finden, aus den Nano­­partikeln lassen sich durch Sintern neu­­artige Ker­amiken mit reduzierter Sprödigkeit aufbauen, die Ver­ring­er­ung der Reibung ist bei zahlreichen bewegten Tei­­len ein vor­­rangiges Ziel, Werkstoffe mit reduzierter Ad­­häs­­ion von Bak­terien sind für medizinische Implantate äußerst interessant.

Dementsprechend ist die Entwicklung neuer Werkstoffe direkt mit Industriebetrieben ein wichtiges Standbein des Instituts. Das Spektrum der durchgeführten Arbeiten ist auch auf diesem Gebiet recht breit, wie es eben für die Ma­­ter­­ialforschung typisch ist. In Zusammenarbeit mit der In­­dustrie werden z.B. verschiedene Lotlegierungen entwickelt, und zwar von umweltfreundlichen Weichloten als Ersatz für bleihaltige Lote, über Hartlote und Hochtemperaturlote bis zu Aktivloten, die zum Fügen von keramischen Bauteilen ve­­r­­wendet werden können. Die genannten Entwicklungsprojekte sollen direkt zu wettbewerbsfähigen Produkten führen und werden typischerweise zu großen Teilen vom Industriepartner finanziert. Durch die Zusammenarbeit besteht auf diese Weise Zugang zur Analytik des Instituts, der Betrieb trägt zur Ausbildung der Studierenden bei und gewinnt gleichzeitig einen wesentlich tieferen Eindruck über die Leistungsfäh­ig­­keit der Studierenden als etwa in einem zeitlich begrenzten Bewerbungsgespräch.

Kleine und mittlere Unternehmen, die keine eigene Forsch­ungsabteilung unterhalten, entwickeln zusammen mit dem OSIM Werkstoffe und Bauteile. Ein Beispiel hierfür ist die Ent­­wicklung von kardiovaskulären Implantaten („Okkludern“), die zur Behebung von angeborenen Herzfehlern in der Medi­­zintechnik Eingang finden. Ziel ist es hier, die Werkstoff­ei­genschaften eines über ein Katheter minimalinvasiv implantierten Okkluders so zu optimieren, dass er seine mechanische Funktion (Verschluss eines Defekts in der Herzscheid­e­wand) zuverlässig erfüllt, gleichzeitig aber keine unerwünschten Nebenwirkungen zeigt wie etwa das Freisetzen von Ionen in gesundheitsbedenklicher Konzentration. Dazu wird ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen der Oberfläche des Materials mit dem umgebenden Medium, hier der Körperflüssigkeit/dem Körpergewebe erarbeitet und mit Hilfe modernster Analysemethoden überprüft.

Größer angelegte Projekte mit Industriepartnern werden auch von öffentlichen Geldgebern (mit)finanziert. In Frage kommen hierbei die Ministerien mit Verantwortung für Wirt­­schafts- und Forschungsfragen sowohl auf Bundes- als auch auf Landesebene. Besonders große Entwicklungsprojekte werden von der EU getragen. Hier ist ein Beispiel die Ent­wick­­lung von Gläsern für die Architektur von großen Glasflächen, die au­­ßer ihren üblichen Eigenschaften wie Schutz und Transparenz weitere funktionelle Eigenschaften erfüllen. Ein derartiges Projekt wird unter dem Titel ”Large-area Fluidic Windows“ (LaWin) derzeit mit Industriepartnern aus Thüringen, Mitteldeutschland und ganz Europa durch­­geführt. Ziel ist es, großflächige Fassadenelemente zu entwickeln, welche als aktive Gebäudehülle dienen und über die Funk­tio­­nalität so­wohl eines Wär­­me­tauschers als auch eines So­­lar­kol­­lek­­tors verfügen. Die prak­­tische Um­­setz­ung erfolgt durch ein mit Mikrokanälen strukturiertes Glas, durch welches eine Flüssigkeit zirkuliert. Diese Flüssig­keit ermöglicht sowohl die automatische Re­­gu­­lierung des Lichteinfalls als auch die Aufnahme der Außen­­wärme. In der Laufzeit des Projekts sollen erste Pro­­totypen hergestellt werden, um damit die Technologie zu erproben.

autorenbild-rettenmayrProf. Dr. Dr. h.c. Markus Rettenmayr
Der Autor studierte Metallkunde in Stuttgart und war im Zuge seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart tätig. Markus Rettenmayr forschte als Postdoktorand am Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, USA und habilitierte im Anschluss an der Technischen Universität Darmstadt. Er ist Uni­ver­sitätsprofessor an der Friedrich Schiller-Universität Jena und Geschäftsführender Direktor am Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM).