Materialien, die die Zukunft formen
Ohne die Entwicklung neuer Materialien gäbe es heute weder Smartphones noch Flugzeuge. Und längst arbeiten Forschende am «Materialbaukasten» der Zukunft. Die drei WSS-Projekte «Künstliche Muskeln», «Klimafreundlicher, dauerhafter Stahlbeton» und «Thermoelektrische Materialien» tragen dazu bei – in ganz unterschiedlichen Gebieten und mit ganz unterschiedlichen Ansätzen.
Materialien sind die Motoren der gesellschaftlichen Entwicklung. In der Steinzeit benutzten Menschen Steine, Knochen und Fasern, um Werkzeuge und Waffen herzustellen. In der Bronzezeit entdeckten sie, dass eine Legierung aus Kupfer und Zinn ein Material ergab, das härter und haltbarer war als Stein. Es entstanden bessere Werkzeuge, Waffen und Kunstgegenstände; spezialisierte Handwerke und Handelsnetzwerke konnten sich etablieren.
Wie genau die Menschen damals die neuen Materialien und Verfahren entdeckten, kann heute niemand mehr rekonstruieren. Zumal die Geschichte zeigt, dass selbst grosse Forscher oder Erfinder rasch in Vergessenheit geraten können. Wer kennt schon den belgisch-amerikanischen Chemiker Leo Baekeland, der im Jahr 1907 den ersten synthetischen Kunststoff – das Bakelit – entwickelte?
Doch ohne die Entwicklung und Verbesserung von Materialien und Materialeigenschaften gäbe es unsere moderne Welt nicht: keine Brücken, Smartphones, Elektroautos, Flugzeuge und Solarzellen. Und die Entwicklung ist längst nicht abgeschlossen. Auch heute tüfteln Forschende an neuen Materialien und entwickeln innovative Produkte aus neuartigen Werkstoffen. Das Feld ist breit: Es reicht von der Erforschung gänzlich neuer Eigenschaften, etwa mit Quantenmaterialien, bis zur Verbesserung oder Veränderung von altbekannten Stoffen.
Ein Beispiel für Letzteres ist das WSS-Projekt «Klima-freundlicher, dauerhafter Stahlbeton», das von Ueli Angst am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich geleitet wird. Bereits vor über 2000 Jahren nutzten die alten Römer einen Beton aus natürlichen Rohstoffen, um Aquädukte oder Bauwerke wie das Pantheon zu bauen. Mitte des 19. Jahrhunderts kam die Idee auf, den spröden Beton mit einem dehnbaren Material, nämlich Stahl, zu verstärken.
«Diese Entwicklung ermöglichte letztlich die Industrialisierung», sagt Ueli Angst. «Denn Stahl und Beton bilden eine Supersymbiose, sind weltweit in grossen Mengen verfügbar und äusserst robust.» Mit dieser Kombination wurden enorm stabile, dauerhafte, tragfähige Konstruktionen möglich – und damit statisch anspruchsvolle Bauwerke wie Brücken mit grossen Spannweiten. Diese Bauweise hat sich bewährt. Doch der Zahn der Zeit kann auch dem Stahlbeton zusetzen: Namentlich die Korrosion des Stahls kann Lebensdauer und Sicherheit von Bauwerken beeinträchtigen, im Extremfall mit katastrophalen Folgen. «Angesichts dessen erstaunt es, dass man bis heute nicht versteht, was bei der Korrosion in Stahlbeton-Bauten auf molekularer Ebene über die Jahre geschieht», sagt Angst.
Entgegen der Lehrmeinung
Genau dies möchte er in seinem Projekt ändern – nicht nur, weil die Korrosion hohe Kosten verursacht. Die Wissenslücken rund um die Korrosionsvorgänge im Stahlbeton haben nämlich eine weitere Folge: Sie erschweren die Anwendung neuer, nachhaltiger Betonbaustoffe in der Praxis. «Dabei wäre ein Umdenken dringend nötig», sagt Ueli Angst.
Das Problem liegt in einer scheinbar unlösbaren Verknüpfung zwischen dem Korrosionsschutz und den hohen CO2-Emissionen bei der Betonherstellung. Beton enthält einen hohen Anteil des Bindemittels Zement. Dessen traditionelle Herstellung aus Kalkstein und Tonmineralien verbraucht nicht nur viel Heizenergie im Brennofen, sondern basiert auf einer chemischen Reaktion, der sogenannten Kalzinierung, die grosse Mengen CO2 freisetzt. Beim Anmischen von Zement mit Wasser entsteht danach eine basische Lösung, welche die Auflösung des Stahls bremst. «Nach heutiger Lehrmeinung ist nur ein solch hochalkalischer Stahlbeton gegen Korrosion geschützt», erklärt Ueli Angst. «Bei modernen, umweltfreundlichen Betonen wird dieser alkalische Schutzschild beeinträchtigt, was demnach ein Dauerhaftigkeitsproblem darstellt.»
Er selber hat mit seiner Forschung aber bereits aufgezeigt, dass die Lehrmeinung nur beschränkt gilt. Die Korrosion von Stahl im Beton lässt sich auch verhindern, wenn andere Faktoren unter Kontrolle gehalten werden, etwa der Transport von Wasser durch das zementöse Porensystem oder die chemische Zusammensetzung der Lösung, die sich in den Betonporen befindet. Viele dieser Prozesse müssen allerdings zuerst grundlegend erforscht werden. Erst mit diesem Wissen wird es möglich sein, neue Strategien oder Materialien zu entwickeln, die die breite Anwendung von umweltfreundlichem Beton ermöglichen.
Wie genau solche nachhaltigen Strategien aussehen werden, hängt von vielen Faktoren ab. Für gewisse Anwendungsfälle wird es möglich sein, weniger alkalische Zemente zu verwenden, die trotzdem korrosionsbeständig sind. Für andere braucht es vielleicht zusätzliche Ansätze wie Beschichtungen, die Beton und Stahl vor Feuchtigkeit schützen. Oder neuartige Inhaltsstoffe, die den Feuchtigkeitsgehalt im Beton ausgleichen.
Atom für Atom untersuchen
Eine Schlüsselrolle in Ueli Angsts Projekt nehmen die komplexen Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Beton und Stahl ein. Die Porengrössen im Beton reichen von Nanometern bis Zentimetern und können sich mit der Zeit verändern. Je nach Bedingungen – etwa bei trockenem Wetter oder wenn ein Betonpfeiler im Wasser steht – finden unterschiedliche chemische Reaktionen zwischen Stahl und Beton statt. Tritt etwa Wasser in die Betonporen ein, reagieren darin gelöste Gase wie CO2 mit anderen Betonbestandteilen. Diese Prozesse wiederum sind verknüpft mit elektrochemischen Prozessen an der Metalloberfläche.
Ueli Angst hat in dem Projekt, das Anfang 2025 begonnen hat, inzwischen vier Doktorandenstellen besetzt. In einer geht es darum, genau diese Übergangsstelle zwischen Stahl und porösem Beton in atomarer Genauigkeit zu untersuchen. Mit einer sogenannten tomografischen Atomsonde werden Atome von der Oberfläche einer Probe abgelöst und ihre Masse bestimmt. «Damit können wir diesen entscheidenden Bereich Atom für Atom rekon-
struieren», sagt Angst.
Ein anderer Doktorand untersucht, wie sich die Poren im Zementstein verhalten, wenn Wasser eingeschwemmt wird. Verschliessen sie sich? Werden sie grösser? Ein weiterer Forschungszweig beschäftigt sich mit der Rolle von gelöstem CO2 im Wasser. Kann es unter bestimmten Bedingungen in einer Betonporenlösung als Katalysator für die Auflösung des Eisens im Stahl dienen? Alle diese unterschiedlichen Forschungsrichtungen dienen einem Ziel: ein möglichst umfassendes Verständnis der Korrosion zu gewinnen.
Mit einem ganz anderen Materialtyp beschäftigt sich ein Team um Yves Perriard und Yoan Civet am Zentrum für künstliche Muskeln am Standort Neuenburg der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Im Vergleich zu Stahl und Beton steckt er geradezu in den Kinderschuhen: Erst seit den 1990er-Jahr werden sogenannte dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) untersucht und entwickelt. Sie bestehen aus einem dünnen, enorm elastischen Kunststoff, der zwischen zwei Elektroden gespannt wird und sich beim Anlegen einer Spannung dehnt. So wird elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit umgewandelt.
Der Elastomer-Film kann aus verschiedenen Materialien bestehen: meist aus Silikon, Acryl oder Kautschuk. «Die Suche nach dem idealen Material für dielektrische Elastomer-Aktoren ist der Heilige Gral in der Community», sagt Yoan Civet. Ein Elastomer muss sich möglichst stark dehnen lassen, dabei möglichst viel Energie speichern und gleichzeitig einem starken elektrischen Feld standhalten.
Das EPFL-Team verwendet solche Materialien, um eine Art künstliche Muskeln zu entwickeln, die beispielsweise bei Herzkrankheiten oder Gesichtslähmungen zum Einsatz kommen könnten. «Aber vor einigen Jahren haben wir in Zusammenarbeit mit Forschenden einer französischen Universität selbst nach dem perfekten DEA-Material gesucht», erzählt Civet. «Wir fanden drei sehr gute Materialien. Leider handelte es sich bei allen um Flüssigkeiten, die für unsere Zwecke nicht geeignet waren, weshalb wir uns für ein kommerziell erhältliches Folienmaterial entschieden.»
Nun aber rückt die Materialsuche erneut in den Fokus des Teams, wie Yves Perriard erklärt. Der Grund dafür sind die enormen Fortschritte, die das Team bei der Entwicklung seines Vorzeigeprojekts gemacht hat: eines Kunstmuskels zur Unterstützung des Herzens. In einer aktuellen Publikation haben die Forschenden ein «Kunstherz» präsentiert, das aus einer mehrschichtigen DEA-Röhre in einer zylinderförmigen Kunststoff-Vakuumkammer besteht. Beim Anlegen einer Spannung bläht sich das DEA unter dem Innendruck der Vakuumkammer auf und erzeugt einen Sog, der Blut in das Gerät zieht. Sobald das elektrische Feld deaktiviert wird, zieht sich der Aktor zusammen und drückt das Blut heraus.
Leistung enorm verbessert
Das Gerät wiegt weniger als 200 Gramm, hat einen sehr geringen Energieverbrauch und ist enorm leistungsfähig. «Wir erreichen damit – erstmals für eine DEA-basierte Pumpe – die Durchflussrate und den Druck des Herzmuskels», sagt Yves Perriard. «Das erlaubt es uns, das Herz nicht wie mit früheren Modellen bloss zu unterstützen, sondern sogar zu ersetzen.» Das Gerät könnte sich also für Patienten mit schwerer Herzschwäche eignen, bei denen das eigene Herz nicht mehr in der Lage ist, die Blutzirkulation aufrechtzuerhalten.
«Für die Chirurgen, mit denen wir zusammenarbeiten, wird unsere Entwicklung nun richtig interessant», sagt Perriard. Denn verglichen mit herkömmlichen Herzpumpen hätte das Neuenburger System klare Vorteile, vor allem, weil die weichen Materialien das durchfliessende Blut schonen. Das Team bereitet deshalb mit Hochdruck neue Tierversuche vor. «Wir planen Langzeitversuche mit Schafen. Wir wollen mindestens 30 Tage lang untersuchen, wie die Tiere mit unserer implantierten Herzpumpe leben», sagt Perriard.
Dafür brauchen die Forschenden ein äusserst zuverlässiges System, das auch nach Tausenden Lade- und Entlade-Vorgängen funktioniert. Zudem sei die Sicherheit eine grosse Herausforderung, erklärt Yves Perriard. Denn typischerweise benötigt der Betrieb von dielektrischen Elastomer-Aktoren Hochspannung im Kilo-Volt-Bereich. «Das ist für den Einsatz als Medizintechnikprodukt ein Nachteil, weil es Fragen bezüglich Patientensicherheit aufwirft.»
Material-Innovationen könnten eine entscheidende Rolle spielen, um diese Herausforderungen zu meistern. Das Team prüft deswegen, ob auf dem Markt leistungsfähigere DEA-Materialien erhältlich sind, die bei tieferer Spannung funktionieren. Es existierten beispielsweise Firmen, die hochwertige flüssige DEA-Materialien in einen Film umwandeln könnten, sagt Yoan Civet.
Gleichzeitig wird das Team seit Kurzem von einem Experten für Materialwissenschaften und Fertigungstechniken unterstützt. Er untersucht, ob sich handelsübliche DEA-Flüssigkeiten mithilfe anderer Komponenten verbessern lassen. «Dass wir selbst ein völlig neues Material entwickeln, ist aber illusorisch», sagt Civet. «Denn wir benötigen etwas, das nicht nur im Labor mit kleinen Mengen gut funktioniert, sondern sich in einer konkreten Anwendung im grösseren Massstab und langfristig bewährt.»
Nanokristalle mit Defekten
Buchstäblich von Grund auf entwickelt werden neue Materialien dagegen in einem dritten WSS-Projekt: Am «Werner Siemens Thermoelectric Laboratory» am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg bei Wien verwendet das Team um Maria Ibáñez Nanopartikel aus ganz bestimmten Materialien, um makroskopische Materialien herzustellen, die thermoelektrische Eigenschaften aufweisen. Das heisst: Sie wandeln Temperaturunterschiede in elektrische Spannung um – oder nutzen umgekehrt eine angelegte Spannung zur Wärmeübertragung. Der thermoelektrische Effekt wird zur Stromerzeugung oder für Wärmemanagement eingesetzt.
«Die Kernidee unserer Arbeit ist es, funktionelle anorganische Materialien zu entwerfen und zu kontrollieren», sagt Maria Ibáñez. Vereinfacht besteht der Trick darin, die Vorteile von strukturellen Unregelmässigkeiten zu nutzen. «In unseren Materialien können wir Merkmale wie Defekte und Grenzflächen so einstellen, dass der Ladungs- und Wärmefluss durch den Festkörper optimiert wird», erklärt Ibáñez. Defekte sind Abweichungen von der idealen, regelmässigen Anordnung der Atome in einem Kristallgitter. Es gibt verschiedene Arten von Defekten: das Fehlen eines Atoms, den Ersatz eines Atoms durch ein anderes oder die Verschiebung einer Atomreihe. In grösserem Massstab spielen auch die Grenzen zwischen Kristallen, sogenannte Korngrenzen, sowie Poren eine wichtige Rolle.
Defekte können einen riesigen Einfluss auf die Eigenschaften eines Materials haben: «Allein durch die Veränderung der Art und der Dichte von Defekten können wir die elektrischen Eigenschaften eines Materials stark verändern», sagt Maria Ibáñez. Die Herausforderung sei es, die richtigen Defekte gezielt zu erzeugen. «Wir lernen, wie man Defekte über verschiedene Längenskalen hinweg kontrolliert, von atomaren Leerstellen bis hin zu Korngrenzen. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, dieses Mass an Kontrolle auf vorhersehbare und skalierbare Weise zu erreichen.»
Die Nanopartikel, die Ibáñez und ihr Team als Ausgangsmaterialien verwenden, bestehen aus einem anorganischen Kern und Oberflächenteilchen wie Ionen, organischen Ketten oder Metallkomplexen. «Wir versuchen, die Eigenschaften des anorganischen Kerns – seine Zusammensetzung, Kristallphase, Grösse und Form – zu nutzen und die Oberflächenchemie so anzupassen, dass sich die gewünschten Defekte bilden», erzählt Ibáñez.
Die Vielfalt an Nanopartikeln mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, die untersucht werden können, ist allerdings enorm. Deshalb benutzt die Forscherin Methoden, welche die Herstellung beschleunigen. Ein essenzieller Teil dafür ist der Aufbau eines Hochdurchsatz-Labors, in dem Proben automatisiert produziert und getestet werden können. Sie sei nun auf gutem Weg mit diesem einzigartigen Labor und hoffe, dass es Mitte 2026 aufgebaut und einsatzbereit sein werde, sagt Ibáñez.
Daneben arbeitet die Gruppe mit unterschiedlichen innovativen Ansätzen, wie dem 3D-Druck. Im vergangenen Jahr stellte das Team in einer Publikation im Fachmagazin «Science» ein neu entwickeltes 3D-Druck-Verfahren vor, mit dem sich leistungsstarke thermoelektrische Materialien kostengünstig herstellen lassen. Bisherige Versuche mit dem 3D-Druck seien vor allem daran gescheitert, dass es nicht gelang, die einzelnen Partikel der Materialien so miteinander zu verbinden, dass sich eine gute elektrische Leitfähigkeit ergab, sagt Ibáñez.
Wiederverwenden statt verschwenden
Zur Herstellung ihrer «Druckertinte» mischen die Forschenden thermoelektrische Pulverpartikel mit einer Trägerlösung und Bindemitteln. Sie drucken die Tinte Schicht für Schicht auf eine Oberfläche und erhitzen diese Struktur, wodurch die Trägerlösung verdampft. Aufgrund der Eigenschaften der entwickelten Tinte führt die Erhitzung zu einer chemischen Umwandlung, welche die Partikel miteinander verbindet, dabei aber die gedruckte Struktur bewahrt. Mit dieser Methode gelang es den Forschenden, absolute Spitzenmaterialien zu erzeugen, deren thermoelektrische Leistung zu den höchsten bisher bei Raumtemperatur beobachteten zählt.
Einen weiteren Schwerpunkt legt die Gruppe auf die Nachhaltigkeit. «Mit unserem lösungsmittelbasierten Ansatz können wir Synthesen bei sehr niedrigen oder sogar Raumtemperatur durchführen und benötigen keine hochreinen Substanzen», sagt Maria Ibáñez. Der Nachteil: Die Lösungsmittel werden normalerweise am Ende des Prozesses entsorgt. Die Forschenden suchen nach Möglichkeiten, um solche Abfälle zu verhindern und keine Materialien zu verschwenden – auch hier mit Erfolg. «Wir konnten kürzlich nachweisen, dass Silberselenid selbst bei mehrfacher Wiederverwendung der Lösungsmittel hohe Leistungen erzielen kann», sagt Ibáñez.
Das Beispiel zeigt: Mit der Entwicklung, Verbesserung und der innovativen Anwendung von Materialien ist es nicht getan. Es gilt stets auch, sorgsam mit ihnen umzugehen.
