Chemiker der Saar-Uni drucken weltweit erstmals komplexe 3-D-Objekte in schillernden Strukturfarben

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 26.01.2023

Den Effekt kennt man von Schmetterlingen oder Opalen: Je nach Lichteinfall schillern Tiere oder Edelsteine in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche „Strukturfarben“ verblassen nicht und sind ungiftig. Bisher konnten solche Farben künstlich nur als dünner Film hergestellt werden. Die Chemiker Lukas Siegwardt und Markus Gallei von der Universität des Saarlandes haben nun ein Verfahren gefunden, wie sie dreidimensionale komplexe Objekte drucken können, die brillante Strukturfarben zeigen.

Ihre Methode haben sie im renommierten Fachjournal Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Im menschlichen Miteinander gilt „Harte Schale, weicher Kern“ als Gütezeichen für den menschlichen Charakter. Im Falle des Forschungsgegenstandes von Markus Gallei und Lukas Siegwardt hingegen verhält es sich genau andersherum. Der Professor für Polymerchemie und sein Doktorand haben „perfekte Partikel“ hergestellt, deren harter Kern von einer weichen Schale umgeben ist. „Perfekte Partikel“ bezeichnet in diesem Fall Teilchen, die allesamt identisch groß und geformt sind. Diese Ausgangsmaterialien, die in der Regel aus gängigen Materialien wie Polystyrol oder Ethylacrylaten bestehen, haben Lukas Siegwardt und sein Professor nun so verändert, dass sie auch im 3-D-Drucker verarbeitet werden können.

Das war bisher nicht möglich. Seit 2001 können solche Farben zwar künstlich hergestellt werden, allerdings nur als sehr dünner Film, der Bruchteile eines Millimeters dick ist. „Dabei wird das Material mittels Industriepressen oder Folienwalzanlagen verarbeitet. Daraus wird dann ein buntes Material, das seine Farbe verändern kann“, erklärt Professor Gallei. Man kann daran ziehen, Strom anlegen, die Temperatur verändern, den pH-Wert und viele weitere Parameter beeinflussen, die allesamt dazu führen, dass die Farbe sich ändert. „Man kann das Material beliebig schalten“, nennt Markus Gallei solche Vorgänge. Solche Farben haben zwei große Vorteile: Sie sind zum einen völlig unschädlich im Gegensatz zu vielen anderen Farben. Und sie bleichen niemals aus. Hinzu kommt ihre schier unendliche Wandlungsfähigkeit, die bisher nur dadurch begrenzt wurde, dass sie als hauchdünner Film hergestellt werden konnten. Nun hingegen wären 3-D-Objekte aus solchen Materialien als vielfältig einsetzbare Sensoren für allerlei Messmethoden oder als Fälschungsschutz für Waren denkbar, um nur zwei Beispiele zu nennen. Man kann die Partikel so herstellen, dass sie jede denkbare Eigenschaft besitzen und ebenfalls leicht in Form zu bringen sind.

Lukas Siegwardt demonstriert die Wandlungsfähigkeit des Stoffes, indem er an einem ausgedruckten, etwa fünf Zentimeter langen Prüfling zieht. Die vormals rote Farbe des Objekts verändert sich immer mehr ins Blaue, je mehr der Doktorand daran zieht. „Damit habe ich schon einen einfachen Sensor, der auf Zug- und Druckkräfte reagiert“, erklärt der junge Wissenschaftler.

Markus Gallei erklärt die Chemie, die dahintersteckt. Die hat mit den eingangs erwähnten „perfekten Partikeln“ aus den Standard-Polymeren zu tun, die in Rohform als weißes, pudriges Pulver in die Industriepresse und nun auch in den 3-D-Drucker kommen. „Diese Partikel ordnen sich während des Druckens in einem regelmäßigen Muster an, welche dann unterschiedliche Farben haben, je nachdem, wie die Abstände zwischen den Partikeln sind.“ Die weichen Schalen der einzelnen Partikel zerfließen zu einer fließfähigen Masse, welche die harten Kerne umgibt. Zieht man an einem Objekt, verändert man die Abstände zwischen den einzelnen Kern-Partikeln, und die Farbe ändert sich. Die harten, perfekten Partikel bewegen sich in dem weichen umgebenden Medium und ordnen sich zu einem neuen Muster an. „Man quetscht quasi den Honig zwischen den einzelnen Kügelchen raus“, erklärt Markus Gallei mit einem Bild den Vorgang auf molekularer Ebene. So verändern sich die Partikelabstände und damit auch die Farbwiedergabe.

Um ein solches Material auch für einen 3-D-Druck aufzubereiten, war eine Menge Laborarbeit nötig. Das war insbesondere Lukas Siegwardts Part. „Ich habe das Material so verändert, dass es sich drucken lässt. Ich habe Monate gebraucht, bis ich die richtige Zusammensetzung gefunden habe“, sagt der Doktorand rückblickend. Dabei waren zwei harte Nüsse zu knacken: Zum einen musste Siegwardt die Fließeigenschaften des pulvrigen Ausgangsstoffes so verändern, dass sie die Düsen des Druckers nicht verstopften, sprich: das Pulver möglichst rückstandsfrei gedruckt werden konnte. „Zweiter Punkt waren die thermischen Eigenschaften. Beim Pressen muss das Ausgangsmaterial etwa 120 Grad Celsius verkraften. Beim 3-D-Druck fallen aber Temperaturen von 140 bis teilweise 200 Grad Celsius an“, erklärt der Wissenschaftler die Anforderungen an das Material. „Viele Materialien sind mir im Laufe der Monate kaputtgegangen“, erinnert er sich. Bis er letzten Endes doch die richtige Mischung gefunden hat.

So haben die beiden saarländischen Wissenschaftler die Basis dafür geschaffen, dass mit der neuartigen Methode nun Anwendungsgebiete gefunden werden können, in denen die schillernden Objekte sinnvoll nutzbar sein können. Weicher Schale, hartem Kern sei Dank.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Nano-Crashtests für haltbarere Materialien

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 19.01.2023

Für eine nachhaltige Wirtschaft ist es von großer Bedeutung, robuste und langlebige Produkte herzustellen. Im Falle von Mobiltelefonen, Displays, aber auch Schneidewerkzeugen oder Bohrern heißt dies, feinste Oberflächen- Beschichtungen so robust zu machen, dass sie Stößen möglichst lange widerstehen. Ein Professor der Universität Kassel entwickelt dafür neue Charakterisierungsmethoden auf Nano-Ebene und erhält für dieses Projekt große finanzielle Unterstützung des Europäischen Forschungsrats.

Bislang werden hauchdünne Materialschichten mit sogenannten Nanoindentern geprüft, feinsten Diamantspitzen, die auf die Werkstoffprobe Druck ausüben. Das Problem: Diese Geräte können nicht so schockartig arbeiten, wie dies in der Realität etwa bei Stößen der Fall ist – die Messergebnisse geben nicht immer realistische Werte für die Belastungsfähigkeit an. Prof. Dr. Benoit Merle, Leiter des Fachgebiets „Mechanisches Verhalten von Werkstoffen“ entwickelt daher nun eine neuartige Messtechnik.

Merle ist es bereits gelungen, das Messen mit Nanoindentern hundertfach zu beschleunigen. In den nächsten Jahren soll das Verfahren noch einmal um den Faktor 100 schneller werden, so das Ziel. Zu diesem Zweck wird ein Prototyp auf Basis von Piezokeramiken entwickelt. Piezokeramik ist ein Stoff, der Elektrizität abgibt, wenn er verformt wird, und umgekehrt durch elektrische Impulse verformt werden kann. Durch diesen lassen sich Reaktionen im Nanobereich und in kleinsten Zeitintervallen präzise steuern.

Mithilfe des Verfahrens können dann Materialien realitätsnäher getestet werden, was wiederum das Wissen über die Bildung von Materialschäden auf Nanoebene erhöht und zur Produktion nachhaltigerer Produkte beitragen wird. „Wir versprechen uns davon eine bahnbrechende Verbesserung der räumlichen Auflösung der mechanischen Prüfung bei hohen Dehnungsgeschwindigkeiten“, so Merle.

Merle ist im Mai 2022 als Leiter des Fachgebiets Mechanisches Verhalten von Werkstoffen an die Universität Kassel gewechselt. Das Projekt inklusive einer 1,8 Millionen Euro schweren Finanzierung aus einem ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats hat er von seiner vorherigen Position an der Universität Erlangen-Nürnberg mitgebracht.

„Kassel bedeutet für mich einen neuen, spannenden Schritt in meiner wissenschaftlichen Karriere“, so Merle. „Die Materialwissenschaften bilden einen Forschungsschwerpunkt der Universität und es gibt bereits ein starkes Cluster von hervorragenden Kolleginnen und Kollegen.“

Externer Link: www.uni-kassel.de

Geschmeidige Gefäße

Pressemeldung der TU Graz vom 17.01.2023

B-Vitamine tragen wesentlich zu reibungslosen Stoffwechselprozessen bei, sorgen für Hormon- und Blutbildung sowie gesunde Nerven. Grazer Forscherinnen und Forscher haben nun herausgefunden, dass B-Vitamine auch unsere Blutgefäße „geschmeidig“ halten.

Bislang galt ein hoher Cholesterinspiegel, der zur Bildung atherosklerotischer Plaques und dadurch zur Verengung der Arterien führt, oft als einziger treibender Faktor bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Grazer Wissenschafter*innen haben festgestellt, dass sich auch ein Mangel an B-Vitaminen negativ auf die Gefäße auswirkt. „Sind zu wenig B-Vitamine vorhanden, werden die Arterien steifer. Trifft ein B-Vitamin-Defizit auf erhöhtes Cholesterin, macht dies die Gefäßwände der Arterien noch dicker und verengt die Gefäße noch mehr. Außerdem können sich die Gefäße dann nicht mehr gut zusammenziehen und entspannen“, fasst die Biochemikerin Oksana Tehlivets von der Universität Graz die Ergebnisse des Forschungsteams von Med Uni Graz, TU Graz und Uni Graz zusammen.

Hierzu wurde im Vorfeld ein Forschungsmodell zur maschinell kontrollierten Erzeugung von atherosklerotischen Gefäßwandverdickungen von Gerd Hörl, Peter Opriessnig und Gunter Almer, Erstautor der Publikation, gemeinsam entwickelt. Auf der Expertise der drei an der Med Uni Graz tätigen Forscher wurde dann die Idee zur Erforschung atherosklerotischer Grundlagen mit Oksana Tehlivets aufgebaut. Gerhard Sommer von der TU Graz steuerte biomechanische Untersuchungen von arteriellem Gewebe bei.

Warum gerade B-Vitamine eine so entscheidende Rolle für die Gefäßgesundheit spielen, hängt möglicherweise mit einer ihrer Aufgaben zusammen. Sie sind nämlich am Abbau des Zellgiftes Homocystein beteiligt, das im Zuge der natürlichen Zellfunktionen entsteht. „Wenn dieser Abbau nicht stattfindet, stoppt Homocystein andere wichtige zelluläre Prozesse“, erläutert Tehlivets eine der negativen Folgen einer Unterversorgung mit B-Vitaminen. Homocystein ist seit langem als unabhängiger Risikofaktor für Atherosklerose bekannt und wird mit verschiedenen Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht. Wie es dazu beiträgt, ist noch nicht vollständig geklärt. „Es ist aber wichtig, diese Rolle zu verstehen, da erhöhte Homocysteinspiegel im Alter vermehrt auftreten“, schildert Tehlivets.

Die meisten B-Vitamine sind übrigens sowohl in tierischen als auch in pflanzlichen Lebensmitteln enthalten, zum Beispiel in grünem Blattgemüse, Hülsenfrüchte, Vollkornprodukten, Nüssen und Samen. Vitamin B12 ist dagegen in ausreichenden Mengen ausschließlich in tiereschen Produkten wie Fisch, Fleisch, Eiern, Milch und Milchprodukten zu finden.

Die Arbeit wurden vom österreichischen Wissenschaftsfond FWF sowie von BioTechMed-Graz, dem Zusammenschluss von Uni Graz, Med Uni Graz und TU Graz zur gemeinsamen Forschung für Gesundheit, gefördert. (BioTechMed-Graz)

Externer Link: www.tugraz.at

Digitale Zwillinge, neue Krebstherapien und drei Einhörner

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 09.01.2023

26 Spin-​offs wurden 2022 an der ETH Zürich gegründet. Die Bandbreite reicht von neuen Krebsmedikamenten über nachhaltige Trinkflaschen bis zur digitalen Abbildung städtischer Verkehrsflüsse. Die ETH-​Spin-off-Familie begrüsste ausserdem drei neue «Einhörner» und warb 1,2 Milliarden Franken an frischem Kapital ein.

26 neue Spin-offs sind im vergangenen Jahr an der ETH entstanden. Das inhaltliche Spektrum der neu gegründeten Spin-offs ist vielfältig und widerspiegelt die ganze thematische Vielfalt der ETH Zürich. Der grösste Teil der Spin-offs (10) stammen aus dem Bereich Informatik- und Kommunikationstechnologie – ein Trend, der seit mehreren Jahren anhält. Die Problemstellungen, denen sich diese Firmen zuwenden, sind jedoch sehr unterschiedlich: Während Calvin Risk AG eine Art Versicherung für Künstliche Intelligenz anbietet, überwacht und verbessert Cerrion AG mittels KI und Sensoren ganze Produktionsprozesse. Das ETH-Spin-off Transcality AG wiederum erstellt komplexe Modelle – sogenannte digitale Zwillinge – von Verkehrssystemen. Diese erlauben es, die Verkehrsflüsse einer Stadt zu analysieren und zukünftige Szenarien zu simulieren.

Im Einsatz für die mentale und körperliche Gesundheit

Auffällig viele der neuen ETH-Spin-offs entwickeln Lösungen für den Gesundheitsbereich. Gleich drei Jungunternehmen arbeiten an neuartigen Krebsmedikamenten respektive der Verbesserung bestehender Therapeutika. Zwei weitere bieten Apps an, die dabei helfen sollen, Stress zu reduzieren und das mentale und körperliche Wohlbefinden zu steigern. Kairos Medical AG schliesslich entwickelt biologisch abbaubare Knochenimplantate. Diese vermögen Knochen beim Heilen zu stabilisieren, lösen sich aber im Gegensatz zu herkömmlichen Metallschrauben mit der Zeit im Körper auf.

Unternehmergeist schon bei den Studierenden etablieren

Gleich vier der neuen Spin-offs entstanden im Student Project House – der hauseigenen Ideenwerkstatt für ETH-Studierende. So beispielsweise das Unternehmen Bottleplus, das eine nachhaltige Trinkflasche produziert, mit der man unterwegs kohlensäurehaltiges Wasser herstellen kann, oder AtlasVR AG, das virtuelle Trainingsprogramme für die berufliche Ausbildung anbietet. «Unsere Forschungserkenntnisse und Innovationen sollen möglichst schnell der Gesellschaft zugutekommen. Dass es uns mit dem Student Project House gelingt, bereits Studierende zu ermutigen, ihre Ideen weiterzuverfolgen und auf den Markt zu bringen, freut mich enorm», sagt Vanessa Wood, Vizepräsidentin Wissenstransfer und Wirtschaftsbeziehungen der ETH Zürich. Um den Unternehmergeist bei Studierenden weiter zu fördern und Schulkinder für MINT-Fächer zu begeistern, ist die ETH im Sommer 2022 zudem eine strategische Partnerschaft mit der UBS eingegangen.

Drei neue «Unicorns» und zahlreiche Übernahmen

Erfreulich haben sich im vergangenen Jahr auch die Investitionen in ETH-Spin-offs entwickelt. Rund 1,2 Milliarden Schweizer Franken wurden eingeworben – so viel wie noch nie. Drei ETH-Spin-offs haben 2022 zudem den Status des «Einhorns» erhalten – Start-ups also, deren Marktwert schon vor dem Börsengang eine Milliarde Dollar überschreitet. Es sind dies die Firmen Scandit – welche ein schnelles Scannen auch unter erschwerten Bedingungen ermöglicht – sowie Southpole und Climeworks, die sich dem Kampf gegen den Klimawandel verschrieben haben.

Zudem gab es einige erfolgreiche Übernahmen: So wurde etwa das Spin-off Adresta von Bucherer aufgekauft, Animatico von Nvidia erworben und FGen von Ginko Bioworks übernommen. Die Vertical-Farming-Kräuter des ETH-Spin-offs Yasai fanden zudem 2022 den Weg in die Coop-Regale, und Synhelion kündigte eine strategische Zusammenarbeit mit der Fluggesellschaft Swiss an. «Für die ETH ist es wichtig, dass aus guten Technologien und Ideen Firmen mit Wachstumspotenzial entstehen und so neue Arbeitsplätze geschaffen werden. Der Erfolg unserer Spin-offs wird so zum Erfolg der Schweiz», sagt Vizepräsidentin Vanessa Wood.

Externer Link: www.ethz.ch