Für Nanomaterialien bestehen heute viele interessante Anwendungsfelder, wie beispielsweise smarte Textilien, Medizinprodukte oder Batterien. Die Verarbeitung von Nanofasern ist allerdings aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte problematisch. Einfach gesagt: Durch diese Kräfte neigen die Fasern stark zur Anhaftung an nahezu allen Oberflächen. Das verhinderte bislang eine breitere Anwendung der Fasern. Es gibt jedoch in der Natur Vorbilder wie die Webspinne (Uloborus Plumipes), die Nanofasern von 10 bis 30 nm Dicke produziert, diese zu Fangwolle verarbeitet und ihre Beute damit einwickelt, ohne sich selbst darin zu verstricken. Die Spinne benutzt dazu eine spezielle kammartige Struktur am Mittelfuß des Hinterbeins, das sogenannte Calamistrum. Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop (REM) haben gezeigt, dass die Haare des Calamistrums eine besondere Nanostrukturierung aufweisen. Werden sie entfernt, verklumpen die Fasern.

Zur Erforschung der Struktur wurde am fem in Schwäbisch Gmünd die hochauflösende FIB-REM-Tomographiemethode angewandt: Mittels fokussiertem Galliumionenstrahl (FIB: focused ion beam) wurde das Calamistrum scheibenweise abgetragen und gleichzeitig wurde im REM von jeder Schnittebene automatisch eine Aufnahme erstellt. Aus dem resultierenden Stapel von REM-Aufnahmen wurde anschließend, unterstützt durch zwei Institute der RWTH Aachen, die Struktur des Calamistrums rekonstruiert. Gemeinsam wurde ein Interaktionsmodell entwickelt, das im Detail zeigt, wie die Nanofasern über den Kamm gleiten. Die Vermutung war, dass die Anordnung der Haare des Calamistrums sowie die Nanotopographie auf den Haaren die Kontaktfläche mindern und die Anhaftung somit reduzieren.

Unter Federführung des Zoologischen Instituts der RWTH Aachen wurde gemeinsam mit der PTB Braunschweig und der Universität Linz nun ein biomimetischer, also ein die Natur nachahmender Ansatz verfolgt: Die Nanotopographie des 3D-Modells wurde mittels Laser auf PET-Folie übertragen. Die so erzeugte Nanotopographie, vergleichbar mit der eines Fingerabdrucks, erwies sich als deutlich weniger adhäsiv als die unstrukturierte Folie. Eine Beschichtung der strukturierten Folie mit Gold hatte keine Auswirkungen, der Effekt ist folglich unabhängig vom Material. Simulationen deuten darauf hin, dass die Nanostrukturierung abstoßende Kräfte erzeugt, die größer sind als die anziehenden Van-der-Waals-Kräfte. Das Ergebnis des Projekts: Die Funktionalität einer evolutionären, biologischen Struktur kann erfolgreich auf eine technische Oberfläche übertragen werden. In Zukunft soll diese Methode dabei helfen, Werkzeuge zur kontrollierten Verarbeitung von Nanofasern zu entwickeln.

Den aktuellen Artikel in der Zeitschrift ACS Applied Nano Materials finden Sie hier, das entsprechende Video dort.

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Musterbeispiel für industriegetragene Forschung

Am 1. Februar 2020 startete das gemeinsam von der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik (DGO) und dem fem beantragte Forschungsprojekt „Prozessentwicklung für Aluminium als Werkstoff für Leiter und Steckverbinder in der Automobilelektronik unter Einsatz angepasster Zinnlegierungsschichten“. In Kooperation mit einem Industriekonsortium, dem mittlerweile 16 klein- und mittelständische Unternehmen angehören, wird das Ziel verfolgt, eine ideale Prozesskette für die galvanische Zinnlegierungsabscheidung auf Aluminiumsubstraten im Bereich der Automobilelektronik zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt auf Verfahrensanpassungen, durch die optimale Prozesszeiten bei großvolumigen, kontinuierlichen Abläufen (z.B. Bandgalvanik) erreicht werden sollen.  Motiviert ist das Vorhaben durch die kontinuierliche Zunahme elektrischer und elektronischer Komponenten in Fahrzeugen, speziell in der Elektromobilität; aufgrund des Gewichts- und Kostenvorteils im Vergleich zu Kupfer bietet sich der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen an.

Nach Bewilligung des Projektantrags Ende 2019 ist nun der Startschuss für die Projektarbeiten gefallen: „Das Projekt ist ein Musterbeispiel für industriegetragene Forschung“, unterstreicht Dr. Andreas Zielonka, Leiter des fem und Vizepräsident der AiF, die Herangehensweise und die bisherige Umsetzung. „Industrierelevante Themen aus der Branche werden aufgegriffen, die richtigen Partner an einen Tisch geholt und konkrete Projekte erarbeitet. Die sehr gute Resonanz aus der Industrie ist ein Beleg dafür“, so Zielonka weiter.

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Im Bereich der Energiespeicher gibt es eine Vielzahl verschiedener Anwendungen, die hohe Erwartungen an mobile Energiespeicher stellen. Die Speicher müssen eine große spezifische Energiedichte aufweisen und diese über viele Lade- und Entladezyklen hinweg konstant speichern bzw. abgeben. Neben Sicherheitsaspekten spielen dabei auch die Kosten und die gute Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit der Rohstoffe eine Rolle. Viele dieser Anforderungen können durch das Lithium-Schwefel-System erfüllt werden, das als mögliches Nachfolgesystem der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt wird.

Das neue Verbundprojekt hat die Entwicklung einer Lithium-Schwefel-Zelle zum Ziel und stützt sich auf eine Reihe von Vorgängerprojekten. Die drei Hauptkomponenten Lithium-Anode, Schwefel-Kathode und Elektrolyt/Separator, die zu einem Gesamtzellkonzept vereint werden, sind dabei innovative Weiterentwicklungen, aufbauend auf dem Know-How der Forschungspartner fem, Hochschule Aalen und VARTA Microbattery. Die Anode besteht aus einer elektrochemisch abgeschieden Lithium-Schicht, die mit einer Polymerschicht geschützt wird. Als Separator/Elektrolyt-Kombination dient ein Separator, der mit einem Gel-Elektrolyten modifiziert ist. Die Kathode schließlich besteht aus einer Nickel-Matrix mit schwefelbeladenen Trägerpartikeln. Die einzelnen Zellkomponenten werden von VARTA Microbattery zu einer Gesamtzelle zusammengefügt, um die Funktionsfähigkeit der Zellkomponenten im Zusammenspiel zu demonstrieren.

Für die Anode wird die dendritenfreie elektrochemische Abscheidung von Lithium (entwickelt im AiF-Projekt Sichere LiS-3D-Zelle, IGF 19134N) am fem weiter optimiert. Besonderer Vorteil im Vergleich zum Einsatz von Lithiumfolie ist hier die Verringerung des Lithiumüberschusses in der Zelle, was die Zellsicherheit erhöht. Zusätzlich erleichtert die Polymerschutzschicht die Handhabung der Anode und schützt die Lithiumschicht vor unkontrollierten Nebenreaktionen. Der Einsatz einer mikrostrukturierten Metallfolie als Substrat für die Abscheidung und damit als Stromableiter in der Batterie erhöht die aktive Oberfläche der Elektrode und führt zu einer optimalen Ausnutzung des aktiven Lithiums und damit zu einer hohen spezifischen Energie der Batterie. Außerdem verbessert sie die Haftung der Schichten und verringert die Kontaktwiderstände.

Die Kombination aus Gel-Elektrolyt und Separator, die gemeinsam vom fem und der Hochschule Aalen entwickelt wird, ist flexibel genug, um sich der Oberfläche der beiden Elektroden anzupassen und damit einen optimalen Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode zu gewährleisten. Zudem unterbindet dieser Quasi-Festelektrolyt die unerwünschte Wanderung von Polysulfiden zur Anode – eines der Hauptprobleme der Lithium-Schwefel-Batterie. Auf diese Weise findet die für die Zellreaktion nötige Polysulfidbildung direkt an der Kathode statt, ohne dass die Polysulfide die Lithium-Anode passivieren. Dies verbessert die Zyklenfestigkeit und Lebensdauer der Zelle. Grundlage der Entwicklung der Schwefel-Kathode ist der von der Hochschule Aalen patentierte Kompositgalvanoformungsprozess, eine Kombination aus Galvanoformung und Dispersionsabscheidung (von mit Schwefel beladenen Trägerpartikeln) in einem einstufigen Herstellungsprozess. Auf diese Weise kann eine Elektrodenfolie hergestellt werden, die ohne nichtleitende Binder oder Leitadditive eine optimale elektrische und mechanische Anbindung des Aktivmaterials Schwefel an die Nickelmatrix gewährleistet. Zusätzlich verbessert das Katalysatormaterial auf den Trägerpartikeln (entwickelt im BMWi-Projekt 03ET6084B) die Kathodenkinetik. Mit den genannten Maßnahmen des Verbundprojektes soll die wirtschaftliche Umsetzung der Lithium-Schwefel-Batterie weiter vorangetrieben werden.

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In Kürze ist es soweit: Das Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallkunde wird die erste Ausgabe seines Newsletters „Update“ versenden. Wir wollen darin über neue Projekte, Forschungsergebnisse, Methoden, Veranstaltungen und offene Stellen informieren.
Interesse? Hier können Sie sich anmelden!

Ihr wolltet immer schon mal wissen, woran die Wissenschaftlerinnen, Ingenieure und Laboranten am fem, dem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie in Schwäbisch Gmünd jeden Tag forschen und arbeiten?

Am 26. März 2020 habt Ihr von 10 bis 13 Uhr Gelegenheit dazu: Werft einen Blick in die Laboratorien, lernt aktuelle Projekte und Forschungsschwerpunkte rund um den Werkstoff Metall kennen, lasst euch von der Ausstattung auf dem neuesten Stand der Technik begeistern und diskutiert Eure Fragen zu Ausbildung und Arbeitsalltag im persönlichen Gespräch mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts.

Es finden drei ca. einstündige Führungen durch das Institut mit jeweils 8 Teilnehmerinnen statt, und zwar um 10, 11 und 12 Uhr. Bitte gebt bei der Anmeldung an, an welcher Führung Ihr teilnehmen möchtet.

Wir freuen uns auf Euch!

Hier könnt Ihr euch anmelden: https://www.girls-day.de – klickt auf den Radar und sucht nach fem, dann findet Ihr unser Angebot!

Das fem wünscht allen Mitgliedern, Auftraggebern, Forschungspartnern und Förderern ein frohes Weihnachtsfest und ein glückliches, erfolgreiches neues Jahr 2020.

Das Institut ist vom 21. Dezember bis zum 6. Januar geschlossen. Am 7. Januar 2020 sind wir wieder für Sie da – und freuen uns auf viele spannende Aufträge, Kooperationen und Forschungsprojekte.

"Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg fördert das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie in Schwäbisch Gmünd (FEM) mit 500.000 Euro für den Ausbau des Arbeitsgebietes Additive Fertigung. Dies gab Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut heute (9. Dezember) in Stuttgart bekannt. '3D-Druck und Digitalisierung sind wichtige Schlüsseltechnologien für die Entwicklung des Standorts Baden-Württemberg im internationalen Wettbewerb', sagte die Ministerin."

Die vollständige Pressemitteilung des Ministeriums lesen Sie hier.

Derzeit hat das fem drei neue Stellen zu vergeben – informieren Sie sich hier und bewerben Sie sich noch heute!

Mit smarten Alublechen gegen Stickoxide
Forschung- und Industriepartner entwickeln wirksame Eloxalschichten für Fassadenelemente

Stickoxide (NOx), so das Bundesumweltamt, tragen zur Feinstaubbelastung bei, schädigen die Umwelt, sind mitverantwortlich für die sommerliche Ozonbildung und insbesondere für Asthmatiker ein Gesundheitsrisiko. In Ballungsgebieten und Innenstädten ist der Straßenverkehr neben Verbrennungsanlagen für Kohle, Öl, Gas und Holz die bedeutendste Quelle von NOx; das Verbot für ältere Dieselfahrzeuge in mehreren deutschen Großstädten seit Juni 2018 ist eine Konsequenz aus der Überschreitung der europaweit gültigen Grenzwerte.

Um die Belastung der Luft durch Stickstoffoxide zu reduzieren, sind vielfältige Maßnahmen und ein ausgewogenes Gesamtkonzept erforderlich. An einem Baustein in diesem Konzept arbeitet das fem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie gemeinsam mit dem DECHEMA-Forschungsinstitut (Frankfurt/Main) und dem Institut für Technische Chemie an der Leibniz Universität Hannover im Rahmen eines neuen Forschungsprojekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Ziel ist die Entwicklung einer funktionalisierten Eloxaloberfläche für Aluminiumbleche, die als Fassadenverkleidung an Gebäuden zum Einsatz kommen. Funktionalisiert heißt: in die poröse Struktur anodisierter Aluoberflächen (Eloxalschicht) sollen photokatalytische Nanopartikel eingelagert werden, die, aktiviert durch das UV-Licht der Sonnenstrahlung, einen nennenswerten Beitrag zum Abbau von NOx in städtischen Räumen leisten können. Auf diese Weise könnte der hervorragende Korrosionsschutz von Eloxalschichten mit einer vor allem für urbane Räume überaus wünschenswerten Wirksamkeit kombiniert werden.

Die rund zwanzig beteiligten Partner aus der Industrie haben ein großes Interesse daran, den bisherigen Wettbewerbsnachteil von Eloxalschichten – ihre fehlende Funktionalität – auszugleichen und mit den stickoxidreduzierenden Fassadenblechen neue Märkte zu erschließen: „Unseres Erachtens liegt das größte Entwicklungspotential von Metallfassaden in der Oberflächentechnik. Die Fassadenoberfläche der Zukunft sollte zunehmend Funktionen übernehmen, die den Klima- und Umweltveränderungen Rechnung tragen“, betont Hans Dieter Wahl, Geschäftsführer der HD Wahl GmbH. Da diese Aluminiumoberflächen besonders leicht zu reinigen sind (easy-to-clean) und eine antibakterielle Wirkung aufweisen, sind für sie auch weitere Einsatzgebiete denkbar, z.B. Handläufe, Haltegriffe und -stangen in Gebäuden und Verkehrsmitteln, in Sanitärräumen und Krankenhäusern.

Beim Auftakttreffen der Projektpartner am fem in Schwäbisch Gmünd sind die Herausforderungen bei der Entwicklung der Schichten und die zwei unterschiedlichen Verfahren zur Einlagerung der Partikel rege diskutiert worden: „Entscheidend für den Erfolg ist zum einen eine langzeitbeständige Einlagerung der photokatalytisch wirksamen Nanopartikel in die Eloxalschicht, zum anderen eine ausreichend gute Porenfüllung“, so Christof Langer, Abteilungsleiter am fem.