Materialfarbe hängt von Aluminiumoxid-Schichtdicke ab (Foto: Henning Galinski)

Zürich (pte017/28.11.2016/10:30) –

Forscher der ETH Zürich http://ethz.ch haben erstmals Metamaterialien mit einer netzwerkartigen Nanostruktur
zur Herstellung einer ganzen Palette an intensiven Farben zum Beispiel
für Metallbeschichtungen genutzt. Dabei sind die Experten lediglich dem
Vorbild der Natur gefolgt. Denn diese wendet das Prinzip schon lange an –
zum Beispiel bei der Gefiederfarbe bestimmter Vogelarten in Südamerika.

Einfach und großflächig anwendbar

Die Farben kommen aufgrund einer auf der
Nanometer-Skala speziellen Feinstruktur des Beschichtungsmaterials
zustande. Im Gegensatz zu anderen, bestehenden Strukturfarben lässt sich
das neue Herstellungsprinzip sehr einfach großflächig anwenden.
Außerdem sind die Farben ausgesprochen intensiv und das Material äußerst
kratzfest. Beim verwendeten Material handelt es sich um einen
Zwei-Schichten-Designer-Werkstoff. Die untere Schicht ist ein von
winzigen Hohlräumen durchsetztes metallisches Netzwerk. Es besteht aus
einer Legierung aus Platin, Yttrium und Aluminium.

Die Forscher erzeugten die Hohlräume durch einen
einfachen Ätzprozess. Auf dieses "Nano-Schwamm-Netzwerk" trugen sie in
der Folge eine sehr dünne Oxidschicht auf. Der entstehende Farbeindruck
hängt von der Dicke dieser Aluminumoxid-Schicht ab: Eine
Zwölf-Nanometer-Schicht macht das Material grünlich, eine
24-Nanometer-Schicht gelb, eine 28-Nanometer-Schicht orangefarben, eine
48-Nanometer-Schicht blau und eine 53-Nanometer-Schicht violett.

"Die Farbe entsteht aufgrund der Wechselwirkung des
Umgebungslichts mit den beiden Materialschichten und insbesondere der
ungeordneten Grenzschicht zwischen den beiden Materialien. In dieser
Grenzschicht können wir sehr gezielt Licht bestimmter Wellenlängen
einfangen und konzentrieren", sagt ETHZ-Erstautor Henning Galinski. Zur
theoretischen Erklärung des Funktionsprinzips wurden Simulationen am
Computer eingesetzt.

"Unser Ansatz ist extrem fehlertolerant"

Bisherige Strukturfarben haben in der Regel einen sich
periodisch wiederholenden Aufbau, welcher den Farbeindruck bestimmt.
Dies hat den Nachteil, dass bereits kleinste Defekte die optischen
Eigenschaften massiv verändern. Die von Galinski und seinen Kollegen
entwickelten Netzwerke folgen hingegen keiner klaren Ordnung. Die
Hohlräume des Netzwerks sind zwar ähnlich groß, aber nicht genau gleich.
Die Eigenschaften werden von der durchschnittlichen Hohlraumgröße
bestimmt, nicht jedoch von der Größe jedes einzelnen Hohlraums.

"Unser Ansatz beruht auf Unordnung, nicht auf der
präzisen Herstellung von sich millionenfach repetierenden
Untereinheiten. Daher ist unser Ansatz extrem fehlertolerant", erklärt
Galinski. "Außerdem kann man unseren Ätz- und Beschichtungsprozess
großflächig anwenden, auch auf mehreren Quadratmeter großen Flächen."
Bisherige Strukturfarben seien wegen ihrer aufwendigen und teuren
Herstellung meist auf einen kleineren Maßstab beschränkt gewesen.

Anwenden könnte man die Strukturfarben zum Beispiel für
sehr dünne Sicherheitsmerkmale in Geldscheinen oder um damit Fahrzeug-
oder Flugzeug-Karosserien zu färben, im Militärbereich auch für
Tarnanstriche. "Wir verstehen unser System aber auch als Plattform, auf
deren Basis zahlreiche Weiterentwicklungen möglich sind", sagt Galinski.
Das neue Metamaterial sei auch für Energiesysteme wie
Dünnschicht-Solarzellen interessant. "Wir haben ein extrem dünnes
Material entwickelt, in dem an einzelnen Punkten Licht konzentriert und
perfekt absorbiert wird", resümiert Galinski. Damit könne man eine
äußerst effiziente Lichtsammelfalle entwickeln.

Aluoxid: atomdünn und händisch verformbar (Foto: upenn.edu)

Philadelphia (pte001/09.12.2015/06:00) –

Forscher der University of Pennsylvania http://www.upenn.edu haben ein Material aus Aluminiumoxid entwickelt, das tausende Male
dünner ist als ein normales Blatt Papier und trotzdem noch in der Hand
verformt werden kann. Das neue Material ließe sich aufgrund seiner
Eigenschaften unter anderem in der Luftfahrt oder beim Bau neuer Roboter
einsetzen.

Sehr stark biegbar

Die Nützlichkeit dieser Hightech-Materialien ist
außerhalb der Laborbedingungen meist enden wollend. Atomdicke Stoffe
haben oft die Tendenz, die Form der Umgebung anzunehmen und diese
aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte beizubehalten. Das führt dazu, dass
der Versuch, das Material wieder in die normale Form zu bringen, meist
mit einem Schaden einhergeht.

"Aluminiumoxid ist eigentlich ein Keramikmaterial und
daher sehr spröde", meint Forschungsleiter Igor Bargatin. "Man würde von
der täglichen Erfahrung annehmen, dass es sehr leicht bricht. Aber die
dünnen 25 bis 100 Nanometer starken Platten biegen und deformieren ihre
Gestalt in solch einer Art und Weise, dass man glauben könnte, sie sind
aus Plastik. Das erste Mal als wir es sahen, konnten wir es nicht
glauben."

Eierkarton als Form

Die Struktur des Materials ist nicht glatt, sondern hat
eher die Oberflächenform eines Eierkartons in Nanoformat. Die
Welligkeit der Platten erhöht die Steifheit des Stoffes. Wenn man
ähnlich dünne Stoffe an einem Ende in die Hand nimmt, würden diese sich
bereits verbiegen, während die Platten mit der Eierkartonstruktur rigide
bleiben.

Durch die Steifheit bleiben außerdem die
Van-der-Waals-Kräfte unter Kontrolle. Auch fliegende Roboter können von
der Entwicklung eines solchen Materials profitieren. "Hier geht es um
das Optimieren von ultradünnem Material und mechanischer Robustheit", so
Bargatin. Überall dort, wo dieses Optimierungsproblem eine Rolle
spiele, könne dieses Material Anwendung finden.

Unfallgefahr bei der Obsternte
Tipps zum sicheren Umgang mit Leitern
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(aid) – Wenn Leitern unsachgemäß verwendet werden, ist die Verletzungsgefahr groß. Im Jahr 2012 sind der Sozialversicherung für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau (SVLFG) über 3.000 Leitersturzunfälle gemeldet worden, von denen sechs tödlich waren. Knapp neun Prozent dieser Unfälle ereigneten sich bei der Obsternte. Dabei lassen sich Absturzrisiko und Verletzungsgefahr mit einfachen Maßnahmen deutlich verringern, erklärt die SVLFG.

Stellen Sie die Leiter nur im richtigen Winkel von rund 70 Grad auf. Wer sie an Ästen sichert, muss deren Tragfähigkeit sorgfältig prüfen. Wählen Sie nur gesunde Äste – am besten in Stammnähe, denn dort sind sie in der Regel stabiler. Auf gewachsenem Boden ist es sinnvoll, die Leiter mit geeigneten Hilfsmitteln zusätzlich zu sichern. Metallspitzen verankern die Leiterfüße im Boden und verhindern Wegrutschen und Wegdrehen. Sie sollten mindestens sieben Zentimeter lang sein und insbesondere bei Trockenheit tief genug im Boden stecken. Am Hang sorgen Holmverlängerungen oder ein Niveauausgleich für einen guten Stand. Mit einem einfachen Zurrgurt können sie die Leiter am Baum fixieren. Zudem sollten Obstbauern Leitern und Stützen regelmäßig auf Tauglichkeit prüfen.

Am sichersten ist es natürlich, am Boden zu bleiben und beispielsweise einen Apfelpflücker für die Obsternte zu verwenden. Wer eine Obstplantage neu plant, kann Niederstammkulturen oder Halbstämme pflanzen und dadurch die Unfallgefahr bei der Ernte deutlich verringern.

Jülicher Brennstoffzelle hält elf Jahre durch

Hochtemperatur-Bauteil erreicht 100.000 Stunden Lebensdauer bei Temperatur von 700 Grad

(pte016/07.02.2019/11:30) – Eine von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich http://fz-juelich.de entwickelte Hochtemperatur-Brennstoffzelle hat bei einer Temperatur von
700 Grad Celsius mehr als elf Jahre lang durchgehalten. Über
zehneinhalb Jahre lang lieferte die Hochtemperatur-Brennstoffzelle
während dieser Zeit Strom, so lange wie noch keine andere Zelle dieser
Art zuvor.

Anwendungsreife bestätigt

"Anfangs hätte kaum jemand gedacht, dass es möglich ist,
Hochtemperatur-Brennstoffzellen über so einen langen Zeitraum zu
betreiben. Der äußerst erfolgreich verlaufene Test hat nun gezeigt, dass
die in Jülich entwickelte Variante dieses Brennstoffzellentyps der
Anwendungsreife einen großen Schritt näher gekommen ist", erklärt Ludger
Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).

Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen erreichen die höchsten
Wirkungsgrade und gelten als besonders wartungsarm. Die hohe
Betriebstemperatur stellt aber auch große Anforderungen an die verbauten
Materialien. Mögliche Anwendungsgebiete sind die dezentrale Strom- und
Wärmeversorgung im Haushalt, in größeren Wohngebieten oder in der
Industrie sowie Systeme für Züge oder Schiffe. Fünf bis zehn Jahre oder
umgerechnet 40.000 bis 80.000 Stunden müssen
Hochtemperatur-Brennstoffzellen laufen, damit der Einsatz wirtschaftlich
ist.

Beginn am 6. August 2007

Die Jülicher "Solid Oxide Fuel Cell", was übersetzt
Festoxid-Brennstoffzelle heißt, hielt sogar noch deutlich länger durch.
Mit dem Langzeitexperiment haben die Forscher weltweit erstmalig eine
Lebensdauer von 100.000 Stunden nachgewiesen. Seit dem Start des
Versuchs am 6. August 2007 lieferte der aus zwei Zellen bestehende
Zellstapel über 93.000 Stunden kontinuierlich Strom, insgesamt rund
4.600 Kilowattstunden. Zum Vergleich: Das entspricht in etwa der
Strommenge, die ein Einfamilienhaushalt in einem Jahr verbraucht.

Silicen: Forscher wollen neue Leiter erschaffen (Foto: 2dnanolattices.eu)

Mailand (pte015/23.02.2015/11:30) –

Das zum Nationalen Forschungsrat CNR gehörende Istituto di Microelettronica e Microsistemi http://www.imm.cnr.it hat zusammen mit der University of Texas http://utexas.edu einen Transistor auf Silicen-Basis entwickelt. Als Vorteil gilt vor
allem die Möglichkeit, dieses Verstärkerelement in stark miniaturisierte
nanoelektronische Geräte intergrieren zu können.

Ideal leitendes Sandwich

Bei Silicen handelt es sich um ein zweidimensionales
Material aus Silizium-Atomen. "Das Problem liegt darin, das Material von
seinem Untergrund zu lösen und auf eine kompatible Plattform zu
übertragen", so Projektleiter Alessandro Molle. Die von den Forschern
gefundene Lösung besteht aus zwei Schritten: Zunächst wird das Silicen
mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid überzogen. Danach wird ein
zwischen Alluminiumoxid und einer hauchdünnen Silberplättchen
eingebettetes Silicenstäbchen extrahiert.

Es entsteht so etwas wie ein Sandwich, das anschließend
auf eine aus Siliziumoxid bestehende Oberfläche aufgetragen wird, wobei
die Silberschicht nur an den als Elektroden dienenden Kontaktstellen
verbleibt. "Am Ende dieses Vorgangs fungiert das Silicen wie ein
Übertragungskanal und übernimmt damit die Eigenschaften eines
elektrischen Leiters", verdeutlicht Molle. Die Erfindung öffne neue
Wege, immer kleinere und schnellere digitale Apparate zu produzieren.

Interdisziplinäres Vorhaben

Die Untersuchung ist Teil des europäischen Forschungsprojektes "2D-Nanolattices" http://2dnanolattices.eu . Sie wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Istituto di Struttura della Materia http://www.ism.cnr.it und der Universität Berlin http://fu-berlin.de durchgeführt. Einzelheiten können in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" nachgelesen werden.

Reagenzglas: neues Material zur Dampferzeugung (Foto: web.mit.edu)

Cambridge (pte002/23.07.2014/06:05) –

Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://web.mit.edu hat ein neues Material entwickelt, das 85 Prozent der einfallenden
Sonnenenergie in Dampf umwandelt. "Vor allem in entlegenen Gebieten, wo
die Sonne die einzige Energiequelle ist, ist es sehr nützlich, wenn
Solarenergie durch Wasserdampf generiert werden kann", sagt
MIT-Forschungsleiter Hadi Ghasemi.

Einfach und kostengünstig

Komplexe Systeme der heutigen Dampferzeugung führen zu
erheblichen Wärmeverlusten und somit zu Ineffizienz in der Erzeugung.
"Dampf ist wichtig für die Entsalzung, Hygienesysteme und
Sterilisation", so Ghasemi. Das am MIT entwickelte Material verliert nur
wenig Hitze im Prozess und kann bei relativ niedriger Sonnenintensität
Dampf erzeugen. Dies bedeutet, dass das Setup keine teuren und komplexen
Systeme für hochkonzentriertes Sonnenlicht mehr benötigt.

Das MIT-Material erzeugt Dampf mit einer zehn Mal
höheren Sonnenintensität, als der eines sonnigen Tages. Das ist die
niedrigste optische Konzentration, welche bisher gemeldet wurde. So
können Dampferzeugungs-Anwendungen mit geringerer
Sonneinstrahlungs-Konzentration und weniger teuren Tracking-Systemen
funktionieren. "Dies ist ein großer Vorteil in der Kostensenkung", so
Ghasemi. "Diese Entwicklung ist sehr spannend für uns, weil wir mit
einem völlig neuen Ansatz zur solaren Dampferzeugung kommen", betont
Ghasemi.

Schwamm für mehr Energie

Der "Energie-Schwamm" besteht aus einer dünnen,
doppelschichtigen, scheibenförmigen Struktur. Die oberste Schicht
besteht aus Graphit. Wenn Sonnenlicht auf die Struktur einstrahlt,
erzeugt es einen Hotspot in der Graphitschicht, wodurch ein Druckgefälle
das Wasser durch einen Kohlenstoffschaum drückt. Tropft das Wasser in
die Graphitschicht, verwandelt die dort konzentrierte Wärme das Wasser
in Dampf.

Die Struktur funktioniert ähnlich wie ein Schwamm, der
an einem heißen Sommertag in Wasser gelegt wird. Der Schwamm kann
kontinuierlich Wasser absorbieren und verdampfen. "Es können
verschiedene Kombinationen von Materialien in diesen beiden Schichten
eingesetzt werden, was zu höheren Wirkungsgraden bei niedrigeren
Konzentrationen führen könnte", meint Ghasemi.

Schaltkreise: Halbleiter sollen billiger werden (Foto: flickr.com/Yuri Samoilov)

Cambridge (pte004/20.04.2017/06:15) –

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://web.mit.edu haben einen neuen Ansatz entwickelt, der die Produktion von
Hochleistungs-Halbleiterbauteilen deutlich verbilligt. Geräte können
damit zudem aus verschiedenen, weitaus exotischeren Materialien als
Silizium hergestellt werden – dank Graphen. Die Forscher nutzen die
Kohlenstoffschichten des Materials als "Kopiermaschine", um komplizierte
kristalline Strukturen von einer darunterliegenden Halbleiterscheibe
auf eine darüberliegende Schicht desselben Materials zu übertragen.

"Branche steckt bei Silizium fest"

"Beim herkömmlichen Produktionsprozess von Halbleitern
werden Wafer – knapp einen Millimeter dünne runde Scheiben aus einem
Halbleitermaterial, die die Basis für integrierte Schaltungen bilden –
so stark auf die Halbleiter gepresst, dass es fast unmöglich ist, sie
wieder voneinander zu trennen, ohne dabei beide Teile zu beschädigen",
so MIT-Assistant-Professor Jeehwan Kim http://dmse.mit.edu . Letztendlich werde der Wafer dadurch geopfert. "Er wird zu einem Teil
des Geräts", erklärt der Experte das innovative Verfahren.

Dank der neuen Methode gehöre dieses Problem aber der
Vergangenheit an. "Mithilfe unserer Technik können die Hersteller
Graphen als dazwischenliegende Schicht nutzen, die es ihnen erlaubt, den
Wafer und seine spezifische Struktur zu kopieren und viele Male
wiederzuverwenden", erläutert Kim. Das helfe nicht nur, Kosten zu
sparen, sondern verschaffe den Unternehmen auch mehr Möglichkeiten, mit
anderen Halbleitermaterialien zu experimentieren. "Die Branche steckt im
Moment bei Silizium fest. Wir wissen aber, dass es leistungsmäßig
durchaus bessere Halbleiter gibt. Bislang waren wir nur nicht in der
Lage, diese auch einzusetzen", so der MIT-Forscher.

Funktioniert bereits in der Praxis

Im Rahmen von Labortests konnten Kim und sein Team
bereits zeigen, dass ihr Ansatz funktioniert. Dabei platzierten sie
ultradünne, kaum wahrnehmbare Schichten aus Graphen in der Mitte eines
"Sandwiches" aus Wafer und Halbleiterbeschichtung. Anschließend war es
ihnen möglich, die kristalline Struktur des Wafers auf den Halbleiter zu
übertragen, danach die Graphenschicht wieder zu entfernen und das
gewünschte Muster auf eine beliebige Zahl weiterer Halbleiter zu
kopieren. "Das Ganze funktionierte auch bei exotischeren Materialien wie
Indiumphosphid, Galliumarsenid oder Galliumphosphid", schildert Kim.

Smartphone, MP3-Player,
Sportelektronik wie Pulsmesser oder Tracker, medizinische Geräte wie
Blutdruckmesser, Herzschrittmacher oder Insulinpumpe: Eine wachsende
Zahl elektronischer Begleiter erleichtert unser Alltagsleben. Doch so
nützlich die smarten Helfer auch sein mögen, ihr steter Hunger nach
Strom ist ein Problem. Die Lösung: Stromversorgung mittels körpereigener
Bewegungsenergie. Daran arbeiten Forscherinnen und Forscher am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

„Will man Bewegungsenergie des Körpers
ernten, besteht die Herausforderung darin, dass die Stromerzeugung vom
Nutzer keinen zusätzlichen Kraftaufwand fordert“, sagt Christian
Pylatiuk vom Institut für Angewandte Informatik (IAI). Mit seinem Team
hat der Mediziner zwei Systeme entwickelt, die diesem Anspruch genügen.
Eine Konstruktion für die untere Extremität nutzt das Körpergewicht beim
Gehen. Unter Ferse und Ballen des Läufers ist dabei je ein kleines mit
Flüssigkeit gefülltes Kissen angebracht. Beim Auftreten und Abrollen
wird Öl durch eine Schlauchverbindung dazwischen hin und her gepumpt und
treibt – ähnlich einem Gezeitenkraftwerk im Miniaturformat – einen
Kolben, der wiederum einen Generator antreibt. Das Minielektrizitätswerk
hat Pylatiuk derzeit in einer mit Sensoren versehenen Fußprothese
eingebaut, die Bewegungen des Trägers aktiv unterstützt. „Man könnte den
Mechanismus aber genauso gut in einem Sportschuh unterbringen und einen
Tempo-Trainer oder Leistungsdiagnostik damit betreiben“, sagt Pylatiuk.

Ein anderer Generator kann wie eine Uhr am
Arm getragen werden. Die besondere Schwierigkeit hier: Um einen
Generator zu betreiben, müssen die sehr unsteten Armbewegungen in eine
gleichmäßige Bewegung umgewandelt werden. Pylatiuk hat dafür auf eine
bewährte Technik zurückgegriffen: „Die Funktionsweise ähnelt der einer
Automatik Uhr.“ Im Gegensatz zum Uhrwerk, wo die Energie mittels
Schwungmasse, die eine Feder spannt, gespeichert wird, ist hier ein
Induktionsmotor aktiv, in dem ein Exzenter einen Magneten in einer Spule
vor und zurück bewegt. Die maximale Leistung von 2,2 Milliwatt reicht
zwar noch nicht ganz, um etwa ein Hörgerät zu betreiben oder ein
Smartphone aufzuladen. Aber: „Wir arbeiten gerade an einer
leistungsfähigeren Version für den Consumer Bereich“, sagt Pylatiuk. Mit
den Ergebnissen rechnet er bis Ende des Jahres.

Beide Geräte sind derzeit im „Kinetic Lab“
des Museums für Energie der Zukunft auf der Weltausstellung Expo 2017 zu
sehen, die noch bis zum 10. September in der kasachischen Hauptstadt
Astana stattfindet.

Rekordinvestitionen in Innovationen

Bundesministerium für Bildung und Forschung

"Pumpack" gewinnt red-dot-Design-Award
 
Pumpack: Vakuum reduziert Gepäckvolumen um 70 Prozent (Foto: yankodesign.com)

Singapur (pte001/01.12.2011/06:00) – Wenn einer eine Reise tut, geht das Erleben meist schon Tage davor los. Neben Urlaubsplanung, Anreisebuchung und Versicherungsangelegenheiten gehört das Packen von Taschen und Koffern wohl zu den unbeliebtesten Tätigkeiten vor dem Aufbruch in die verdiente Pause. Das Konzept "Pumpack" http://bit.ly/Pumpack soll hier Erleichterung schaffen, indem es dank einer intelligenten Idee beim Sparen von Stauraum hilft. Das Designer-Team rund um Yejee Lee konnte mit dem Vakuum-Koffer den red-dot-Designaward http://red-dot.sg gewinnen.

Gepäckvolumen um bis zu 70 Prozent reduzierbar

Hinter der minimalistisch-futuristischen Plastikfassade des Reisebehälters verbirgt sich ein Produkt, das in Zukunft beim Sparen von Nerven und Gepäckstückzulagen helfen könnte. Der Hartschalen-Trolley vereint einen Koffer mit einer Vakuum-Pumpe.

Dem Konzept nach packt der Benutzer zuerst seine Textilien in den mitgelieferten "Pumpbag" und entzieht diesem über die integrierte Pumpe Luft. Dies führt zur Komprimierung des Inhalts, der verbrauchte Platz reduziert sich dabei um bis zu 70 Prozent. Der frei gewordene Raum steht schließlich zur Befüllung mit anderen Utensilien zur Verfügung.

Pumpe als verstellbarer Griff

Auf dieselbe Weise funktioniert das Auspacken, da sich die Pumpe über einen einfachen Trittmechanismus umfunktionieren lässt und dem Vakuum-Behälter wiederum Luft zuführt. Gleichzeitig dient ihr Hebel als verstellbarer Haltegriff für den Trolley. Ein einfacher Dreh reicht, um die Funktion zu wechseln.

Das Projekt "Pumpack" konnte bereits einen ersten Erfolg erzielen. Es gehört zu den Gewinnern des vom Design-Zentrum Nordrhein-Westfalen verliehenen red-dot-Awards 2011 in der Kategorie Konzept-Design. Über eine etwaige Umsetzung in ein reales Produkt liegen noch keine Informationen vor.