COMPASS MAGAZINE #10
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VERJÜNGUNGSKUR FÜR MATERIALIEN Computermodellierung beschleunigt die Entwicklung von Werkstoffen mit speziellen Eigenschaften

Forscher verwenden modernste Modellierungssoftware, um Materialien auf molekularer Ebene zu verändern. Diese neuen Materialien werden die moderne Welt rasant umgestalten und einst unvorstellbare Produkte entstehen lassen. 

Die Herstellungsweise von Glas, Metallen, Keramik, Polymeren, Klebstoffen, Verbundwerkstoffen und anderen Materialien wandelt sich. Die Verbraucher bemerken dies nicht – aber es wird ihr Leben beeinflussen. 

Betrachten wir Glas, das 4.000 vor Christus in Mesopotamien erfunden wurde. Trotz unserer 6.000-­jährigen Erfahrung fällt es uns schwer, die Eigenschaften von Glas vorauszusagen, weil unterschiedliche Glasarten auf atomarer Ebene grundverschieden aufgebaut sind. Seit Jahrhunderten konnten Wissenschaftler neue Glasarten nur dadurch entwickeln, dass sie Silizium mit anderen Substanzen mischten, dies hoch erhitzten und das Ergebnis testeten.

„Wir nannten das ‘Schmelzen und Staunen’“, sagt John Mauro, Leiter der Glasforschungsgruppe bei Corning Incorporated in Corning, New York (USA). „Im Unterschied dazu können wir heute wissenschaftliche Methoden anwenden.“

Unternehmen wie Corning revolutionieren uralte Materialien, indem sie Computer mit modernster Software und enormer Rechenleistung einsetzen, um Materialien auf atomarer und subatomarer Ebene zu untersuchen und deren Eigenschaften zu manipulieren. Im Falle des patentierten Gorilla Glass von Corning, einem bruch­sicheren Glass, das weltweit für Bildschirme von Mobiltelefonen und Tablets einge­setzt wird, haben Wissenschaftler ein Computermodell erstellt, aus dem ersicht­lich wird, wie die Atome verbunden sind und wie diese Zusammensetzung optimiert werden kann.

„Den entscheidenden Durchbruch brachte die Eigenschaft, dass sich die Glasstruktur dynamisch an externe Spannungen anpassen kann“, sagt Mauro. Dank der prädiktiven Computermodellierung „erleben wir die Auferstehung der Glas­wissenschaften und Glastechnologie.“ 

FLEXIBLE ELEKTRONIK 

Doch Glas ist nicht das einzige Material, das ein neues Gesicht erhält. Elektronische Geräte, die zum Schutz der inneren Bauteile immer starr waren, werden nun durch Forschungsergebnisse der Akron University und der Case Western University in Ohio (USA) zu tragbarer Kleidung, sogenannten Wearables, weil die starren Polymere, aus denen die Elektronik bisher bestand, nun auch flexibel sein können. 

„WIRD EIN BESTIMMTES MOLEKÜL GEWÜNSCHT, BEKOMMT MAN DAS AM SCHNELLSTEN DURCH RECHNERGESTÜTZTE ENTWICKLUNG UND EXPERIMENTE HIN.“ 

SANJAY MEHTA LEITER DER RECHNERGESTÜTZTEN MODELLIERUNG, AIR PRODUCTS

Forscher „verwenden Computer und Software, um Wechselwirkungen zu modellieren und die Polymere funktio­nalisieren zu können“, sagt Tim Fahey, Leiter Cluster Acceleration für flexible Elektronen bei Nortech, einer Wirt­schaftsentwicklungsgesellschaft. „Man muss ihre Struktur im Nanobereich verändern, um ihnen coole Eigenschaften zu verleihen.“

Einige dieser „coolen Eigenschaften“ zeigen sich in der tragbaren Elektronik, wo beispielsweise die Elektronik direkt in die Textilien eingewebt wird. „Wir gehen nun von den mobilen Geräten zu den Wearables über und treten damit in die nächste Epoche der Unterhaltungselektronik ein“, sagt Fahey. „Dafür müssen die Bestandteile aber weich sein, weil sie direkt auf der Haut getragen werden.“ 

NANO­-SCHALTUNGEN 

Elektronische Geräte werden auch immer kleiner und leistungsfähiger, seit führende Halbleiterhersteller das Unter­nehmen Air Products aus Allentown, Pennsylvania (USA), gebeten haben, Chemikalien mit kleineren Molekülen zu entwickeln, die Schaltungen im Subnanometerbereich auf Chips ätzen und reinigen können.

Laut Sanjay Mehta, der das Zentrum für Computermodellierung bei Air Products leitet, funktionierten die Moleküle zunächst in der Computer­simulation und dann in der Realität. „Wenn ein bestimmtes Molekül gewünscht wird, bekommt man das am schnellsten durch rechnergestützte Entwicklung und Experimente hin“, sagt Mehta. „Die Effizienz ist einfach unglaublich. Anstatt die Experimente in einem Labor durchzuführen, tun wir dies am Computer.“

Die Rechengeschwindigkeiten für solche komplexen Aufgaben werden in der Einheit FLOPS (floating­-point operations per second = Gleitkomma­rechnungen pro Sekunde) gemessen. Air Products nutzt Serverfarmen, deren Leistung in Tera­-FLOPS oder 10 hoch 12 (eine 1 mit 12 Nullen) angegeben wird – das entspricht einer Billion Rechenoperationen pro Sekunde.

Durch die prädiktive Computermodellierung strotzt die einst dümpelnde Werkstoff­branche vor Innovationskraft – und die Verbraucher weltweit ernten deren Früchte. 

von William J. Holstein Zurück zum Seitenbeginn
von William J. Holstein