Wie Beton hergestellt wird, der nicht bricht

Baupläne der Natur liefern die Baupläne für Materialien der Zukunft

Die molekularen Nano- und Materialwissenschaften stellen einen von vier profilbildenden Forschungsbereichen der Universität Konstanz. Seit 2010 forscht hier Prof. Dr. Helmut Cölfen mit großem Erfolg zu einer neuen Generation von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Biege-Experiment von elastischem Zement im Rasterelektronenmikroskop bei 2.000-facher Vergrößerung. Bildrechte: Dr. Zhaklina Burkhard, Universität Stuttgart
Biege-Experiment von elastischem Zement im Rasterelektronenmikroskop bei 2.000-facher Vergrößerung. Bildrechte: Dr. Zhaklina Burkhard, Universität Stuttgart

Ein Beispiel für ein von Forscherinnen und Forschern hergestelltes Material ist der nano-strukturierte Zement, den Sie als Balken auf dem Foto abgebildet sehen, welcher sich unter dem Druck eines Mikromanipulators (links im Bild) biegt, ohne zu brechen.

Herkömmlicher Zement wird in der Bauwirtschaft als Bindemittel bei der Herstellung von Beton verwendet. Er wird  aus den natürlichen Rohstoffen Kalkstein und Ton hergestellt. Unter Einwirkung von äußeren Kräften, wie zum Beispiel Erdbeben, kann er bersten und dazu führen, dass Gebäude und Brücken einstürzen.

Mit Nachdruck wird an der Universität Konstanz an der Entwicklung neuer Materialien geforscht, die Antworten auf drängende Problemstellungen wie diese liefern.

Von der Natur lernen

Querschnitt durch die Materialstruktur des künstlich hergestellten Perlmutts. Bildrechte: University of Science and Technology of China.
Querschnitt durch die Materialstruktur des künstlich hergestellten Perlmutts. Bildrechte: University of Science and Technology of China.

Als Vorbild für die Entwicklung neuer Materialien dient die Natur. „Wie kriegt die Natur solch tolle Sachen wie eine Muschelschale hin?“ fragt sich Prof. Dr. Helmut Cölfen.

Das Perlmutt der Muschelschale ist 3000-mal bruchfester als Kalk, dennoch ist es zu 95 Prozent aus dem brüchigen Material Kalk aufgebaut. Wie ist das möglich? Das Geheimnis liegt im Bauprinzip.

Das Bauprinzip von Materialien

Prof. Dr. Helmut Cölfen und Team
Prof. Dr. Helmut Cölfen und Team

An der Universität Konstanz wird das Bauprinzip von Materialien in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten "Sonderforschungsbereich 1214: Anisotropic Particles as Building Blocks: Tailoring Shape, Interactions and Structures" erforscht.

In dem Wissen, dass die Beschaffenheiten von Materialien auf den Eigenschaften ihrer Partikel beruhen, widmen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der präzisen wie komplexen richtungsabhängigen Anordnung von Materialpartikeln.

„Unser Sonderforschungsbereich legt das Fundament für eine neue Generation von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften“, sagt Helmut Cölfen.

Wie wir natürliche Hochleistungswerkstoffe nachbauen

Synthese eines "Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.
Synthese eines "Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.

Ein Ziel Helmut Cölfens ist es, über kontrolliertes Kristallwachstum Beton bruchfest zu machen. Bei hinreichender Kenntnis der natürlichen Baupläne kann der brüchige Kalk im Zement durch mechanisch bessere Baumaterialien ersetzt werden, um wesentlich bruchfestere Materialien herstellen zu können.

Ein Mineral-Kunststoff steht bereits für die Anwendung bereit. Gemeinsam mit seiner Arbeitsgruppe hat Helmut Cölfen ein Hydrogel entwickelt, das dem Leitbild einer „Grünen Chemie“ entspricht. Es hat nach dem Trocknen die Eigenschaften einer biegsamen Krabbenschale und ist genauso umweltverträglich, da es ohne Energiezufuhr hergestellt und recycelt werden kann.

Die Eigenschaften solcher formbaren Gele sind systematisch veränderbar, und das Biomaterial ist entsprechend vielseitig einsetzbar: Von der Bau- bis zur medizinischen Anwendung.

Seit 2010 forscht Prof. Dr. Helmut Cölfen an der Universität Konstanz mit großem Erfolg an einer neuen Generation von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Er erforscht schwerpunktmäßig Prozesse der Kristallisation und Biomineralisation und leistet Pionierarbeit im Bereich der Nichtklassischen Kristallisation.
Helmut Cölfen ist ein vielfach ausgezeichneter Chemiker, und Sprecher des Sonderforschungsbereiches „Anisotropic Particles as Building Blocks: Tailoring, Shape, Interactions und Structures“, der seit 2016 für seine interdisziplinäre Analyse der kontrollierten Anordnungen von Teilchen in Materialien durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.

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