Zukünftige Materialien

Materialien gestalten die Zukunft

Pierangelo Gröning (Empa)

Der Technologietrend Zukünftige Materialien bezeichnet eine unbestimmte Menge von Materialien mit neuen oder deutlich verbesserten physikalischen Eigenschaften. Wichtige Ziele in der Entwicklung neuer Materialien sind die multifunktionale Anwendbarkeit, eine ressourceneffiziente Produktion und Verarbeitung sowie das Schliessen von Wertstoffkreisläufen.

So sieht es heute aus

Zentrale Treiber für die Entwicklung neuer Materialien sind die gegenwärtigen ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Herausforderungen: etwa der Klimawandel, die Kreislaufwirtschaft und die Digitalisierung. Neue Materialien spielen in der Dekarbonisierung von Industrie und Gesellschaft eine zentrale Rolle. So basieren die Speicherung elektrischer Energie oder die Herstellung synthetischer Treibstoffe und CO2-Absorber mitunter auf neuen Materialien. Damit sich die Kreislaufwirtschaft umsetzen lässt, müssen Wirtschaftszweige wie die Bauwirtschaft oder die Verpackungsindustrie vermehrt auf rezyklierbare Materialien setzen. Quantenmaterialien wie Graphen oder topologische Materialien, die an der Oberfläche andere Eigenschaften als im Volumen haben, ermöglichen die Entwicklung neuer elektronischer Komponenten, die auf quantenmechanischen Effekten für die Informationsverarbeitung basieren. Dadurch sinkt der Energiebedarf für die Informationsverarbeitung drastisch. Mögliche Anwendungen sind hochsensible Sensoren, neuromorphe Chips für künstliche Intelligenz oder ultraschnelle Quantencomputer. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil die heutige Computerarchitektur bald an ihre materialbedingten physikalischen Grenzen stossen wird und die fortschreitende Digitalisierung nach immer leistungsfähigeren Computern verlangt.

Die Materialforschung an Schweizer Hochschulen und Forschungsinstituten ist sehr breit aufgestellt und spielt international auf Top-Niveau. Die Zusammenarbeit von öffentlicher Forschung und Industrie ist seit Jahrzehnten gut etabliert und anwendungsorientiert.

Ein Blick in die Zukunft

Kohlenstoff ist ein vielversprechender Grundbaustein von zukünftigen Materialien und wird strategische Bedeutung erlangen. Als Verbundwerkstoff hat Kohlenstoff herausragende mechanische Eigenschaften, als Nanostruktur ist er ein Hoffnungsträger für die Postsiliziumelektronik. Als Biowerkstoff ist Kohlenstoff zudem biologisch abbaubar. Damit vereint Kohlenstoff viele der Anforderungen an ein zukünftiges Material. Produktefertigung und Materialsynthese werden zunehmend integriert bis zum Extremfall, bei dem beide Prozesse buchstäblich miteinander verschmelzen, zum Beispiel im 3D-Metalldruck. Dadurch erhöht sich die Komplexität von Fertigungsprozessen massiv, gilt es doch neben der Einhaltung von Fertigungstoleranzen auch die Qualität des Materials in der Produkteherstellung sicherzustellen. Deshalb werden Materialkompetenzen und Prozessverständnis in der modernen Fertigung immer wichtiger. So ist die Entwicklung von neuen Materialien meist auch mit neuen Verarbeitungs- und Prozess-
technologien verbunden.  “

Aufgrund der hohen Komplexität werden nur sehr wenige Unternehmen in der Lage sein, die notwendigen Fertigkeiten aufzubauen. Die Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitutionen verfügen über die notwendigen Kompetenzen. Innovationen und wirtschaftliche Erfolge werden sich insbesondere dort einstellen, wo die Industrie und die öffentliche Forschung partnerschaftlich zusammenarbeiten. Im Rahmen von Public Private Partnerships, wie in den schweizweiten Advanced Manufacturing Technology Transfer Centers, werden Open-Access-Pilot-Produktionsanlagen betrieben. Unternehmen erhalten so die Möglichkeit, sich mit Unterstützung von Hochschulpartnern mit neuen Materialien und deren Verarbeitungstechnologien vertraut zu machen. So gewonnene Erfahrungen kommen sowohl den Unternehmen als auch der Forschung zugute. Der Technologietransfer vom Forschungslabor in die Industrie wird dadurch erleichtert und effizienter. Mit solchen Initiativen können auch die finanziellen Risiken von Unternehmen minimiert werden.