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Zusammenspiel in Mikrosystemen verbessern

DFG f?rdert Aktuatoren-Forschung an der Universit?t Kiel mit fast einer Million Euro

Sie steuern Ventile, verstellen Klappen oder regeln Flüssigkeitsstr?me: Als Antriebselemente übernehmen Aktuatoren zentrale Funktionen in der Regelungstechnik zum Beispiel von Flugzeugen oder Autos. Das Prinzip dahinter – Signale in mechanische Bewegungen umzusetzen – kommt auch im kleinen Ma?stab zum Einsatz, zum Beispiel in der Mikroelektronik. Wie sich die Funktion dieser Steuerelemente auf kleinem Raum noch optimieren l?sst, untersuchen Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universit?t zu Kiel (CAU). Sie wollen unter anderem das Zusammenspiel mehrerer Aktuatoren auf der Mikroebene verbessern und den Einsatz neuer Materialien testen. Ihre Forschung ist Teil des Schwerpunktprogramms (SPP) 2206 ?Kooperative mehrstufige multistabile Mikroaktorsysteme“ (KOMMMA) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Bundesweit sind 14 Hochschulen und Forschungseinrichtungen an dem interdisziplin?ren Forschungsvorhaben zu Mikro-Aktuatoren beteiligt. Zwei der insgesamt elf Teilprojekte und damit rund 900.000 Euro gehen an den Kieler Forschungsstandort.

Sensoren sind in der Mikrosystemtechnik bereits gut erforscht – anders als ihr Gegenstück, die Aktuatoren. W?hrend Sensoren Informationen erfassen und als Signale weitergeben, setzen Aktuatoren diese Befehle in mechanische Bewegungen um und k?nnen auf diese Weise Systeme steuern. Werden jedoch insbesondere auf kleinstem Raum mehrere Aktuatoren eingesetzt, kommt es zu zahlreichen Wechselwirkungen, die das ganze System beeinflussen und eine gezielte Kontrolle erschweren.

?Das Schwerpunktprogramm der DFG erm?glicht es uns, die bisher kaum untersuchten Mikro-Aktuatorensysteme gemeinsam mit Expertinnen und Experten verschiedener Disziplinen bundesweit zu erforschen und damit einen gro?en Schritt voranzubringen“, freut sich Eckhard Quandt, CAU-Professor für Anorganische Funktionsmaterialien, der als Mitglied des Programmkomitees die inhaltliche Ausrichtung des SPP 2206 mitbestimmt. Die Koordination liegt bei Professor Manfred Kohl vom Institut für Mikrostrukturtechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

    
Aktuatoren aus Formged?chtnislegierungen miniaturisieren


Im Rahmen des SPP führt Quandt gemeinsam mit Kohl und Stephan Wulfinghoff, Professor für Computational Materials Science an der CAU, das Projekt ?Kooperative Aktorsysteme für Nanomechanik und Nanophotonik“ durch. Das Team erforscht dafür sogenannte Formged?chtnislegierungen, die sich nach einer Verformung an ihren Ausgangszustand ?erinnern“ und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Auch nach langer Einsatzdauer zeigen sie keine Ermüdungserscheinungen. Auf der Mikro- oder Nanoebene wird der Formged?chtnis-Effekt jedoch schw?cher, was eine Verkleinerung von Mikrosystemen erschwert.

Um solche miniaturisierten Anwendungen zu verbessern, will das Forschungsteam spezielle, besonders dünne Schichten aus Formged?chtnislegierungen für den Bau von Nano-Aktuatoren herstellen. Sie erhoffen sich, so mehr Aktuatoren auf einer kleineren Fl?che anordnen zu k?nnen, um Platz und Energie zu sparen. Da im Zusammenspiel der verschiedenen Aktuatoren und Materialien zahlreiche und teilweise unbekannte Wechselwirkungen entstehen, simuliert das Forschungsteam unterschiedliche Modelle vorab, um sie anschlie?end im Kieler Nanolabor zu realisieren. ?Der kleine Ma?stab und die komplexen Wechselwirkungen machen diese Berechnungen sehr aufwendig. Ma?geschneiderte Simulationsmethoden zu entwickeln, ist daher ein weiteres Ziel unseres Projektes“, erkl?rt Wulfinghoff. 


Schaltbare Hydrogele gezielt steuern


Im zweiten Projekt mit Kieler Beteiligung erforscht Christine Selhuber-Unkel, CAU-Professorin für Biokompatible Nanomaterialien, Mikroaktuatoren aus schaltbaren Hydrogelen. Diese wasserenthaltenden Polymere ?ndern ihre Form, wenn sie Hitze oder Licht ausgesetzt sind. Das Projekt ?Schaltbare, bistabile Mikroaktuatorsysteme aus stimuli-responsiven Polymeren“ führt sie zusammen mit Anne Staubitz, Professorin für Organische Funktionsmaterialien an der Universit?t Bremen, durch. Erste, sehr einfache Mikroaktuatoren auf Hydrogelbasis existieren bereits. Weiterentwickelte Systeme k?nnten in Zukunft für medizinische Anwendungen eingesetzt werden, um zum Beispiel Flüssigkeiten im Mikroma?stab zu steuern oder in der Diagnostik Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu sortieren.

Um solche komplexen Anwendungen zu erm?glichen, will Selhuber-Unkel ma?geschneiderte Hydrogele entwickeln, die auf verschiedene Impulse reagieren k?nnen. Dazu plant sie, w?rmeempfindliche Polymere mit lichtschaltbaren Molekülen zu erg?nzen. ?Wir erhoffen uns, die einzelnen Mikroaktuatoren mit Licht deutlich gezielter kontrollieren zu k?nnen und so die Funktionalit?t des gesamten Systems zu verbessern“, sagt Selhuber-Unkel. Am Ende soll ein System aus Mikroaktuatoren mit unterschiedlicher Form und Gestalt stehen, das – im Gegensatz zu aktuell verfügbaren Zellsortiersystemen – dynamisch gesteuert werden kann. So lie?e sich eine Vielzahl von Zellparametern mit einem einzigen System analysieren.

Gruppenbild
? Julia Siekmann, Uni Kiel

Professorin Christine Selhuber-Unkel (von links), Tobias Spratte, Professor Stephan Wulfinghoff, Sabrina Curtis, Professor Eckhard Quandt, Marian Sielenk?mper forschen im DFG-Schwerpunktprogramm "KOMMMA".

DFG-Schwerpunktprogramme

Mit den Schwerpunktprogrammen (SPP) will die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Wissenschaft in besonders aktuellen oder sich gerade bildenden Forschungsgebieten gezielt f?rdern. Durch die bundesweite Bündelung von Kompetenzen verschiedener Forschungseinrichtungen und Hochschulen erhofft sich die DFG spürbare interdisziplin?re Impulse in der Weiterentwicklung zentraler Themen.
www.spp-kommma.de

über KiNSIS

Details, die nur Millionstel Millimeter gro? sind: Damit besch?ftigt sich der Forschungsschwerpunkt ?Nanowissenschaften und Oberfl?chenforschung? (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universit?t zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, n?mlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplin?re Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr k?nnen daraus entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Quandt
Anorganische Funktionsmaterialien
+49 431 880-6200
[email protected]
www.tf.uni-kiel.de/matwis/afm

Prof. Dr. Christine Selhuber-Unkel
Biokompatible Nanomaterialien
+49 431 880-6198
[email protected]
www.tf.uni-kiel.de/matwis/bnano

Prof. Dr. Ing. Stephan Wulfinghoff
Computational Materials Science
+49 431 880- 6243
[email protected]
www.tf.uni-kiel.de/matwis/cms/en

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)