b.sc. chemie- und bioingenieurwesen - universität ... · • verstehen konzepte des aufbaus von...
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Bauteil Atomare Bindung Versuchsprobe Gefüge Kristallgitter
z.B. Ventil Atombindung z.B. Diamant z.B. Biegeprobe z.B. Siliziumnitrid z.B. Siliziumnitrid
Ionenbindung z.B. Aluminiumoxid
10 -10 m 10 -8 m 10 -6 m 10 -4 m 10 -2 m 10 0 m
Naturwissenschaft
O 2- Al 3+
Ingenieurwissenschaft
Materialwissenschaft
-10000 -5000 0 1000 1500 1800 1900 1920 1940 1960 1980 20001990
rela
tive B
ede
utu
ng
-10000 -5000 0 1000 1500 1800 1900 1920 1940 1960 1980 20001990
Gold Kupfer Bronze
Stähle
EisenGußeisen
legierte
Stähle
Leichtmetall-
legierungen
Superlegierungen
Zr
Al
Ti
metallische
Gläser
Al-Li-Legierungen
mikrolegierte Stähle
neue Superlegierungen
Holz
Häute
Fasern Papier
Gummi
Bakelit
Nylon PE. PMMAPP. PS. PC.
EpoxyPolyester
steife Polymere
Hochtemperatur-Polymere
leitendePolymere
Stroh-ZiegelKnochen
GFRPCFRP
MMCCMC
Feuerstein
Stein Ton
Glas Zement/
Mörtel
Quarzglas Hartmetall Al2O3Si3N4
PSZ
Met a l le
Polym ere
Verbunde
Keram ik en
Entwicklung der Materialwissenschaft
Energieproblematik (Direkte Stromerzeugung durch Wärme)
p p p p n n n n
cold
hot Electr. current
n p n p
RL
e- + e-
e- e-
e-
e- e- e-
e- e-
e- e- + + e- e- + +
Thermoelektrische Generatoren:
Voyager
Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung)
Problem:
niedrige Energiedichte
langsame Ladegeschwindigkeit
Anwendung:
Lösung:
Elektroden ohne Träger-
material
Bioinspiration:
Perlmutt
Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung)
Solid state reactions in
core-shell nanowires
Substrate holder
Ti wires for hydrogen storage
Glancing angle
incidence in
sputtering
Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung)
Funktionsmaterialien (Mikro/Nano-Technologie)
AMD-Prozessor 8. Generation Cu-Chip von IBM MEMX MEMS-Aktuator
Wechselstrom-Ermüdung,
R. Mönig MPI Stuttgart
SAW-Ermüdung,
C.Eberl MPI Stuttgart
Lambdarouter® Lucent
Technologies
needle pin
APT sample
100 nm
0.15 m
3D analysis in single
atom sensitivity
tip-
shaped
sample
2D single ion detector
e.g. thermal
degradation of a metallic
multilayer(GMR sensor)
Untersuchungsmethoden
Strukturmaterialien (Bruchzähe Keramik)
Keramiken müssen nicht spröde sein:
Optimierung der Mikrostruktur führt zur Erhöhung der Bruchzähigkeit
z.B: Siliciumnitridkristalle (Si3N4) in Glasphase aus Aluminium- und Yttriumoxid
Glasphase aus Al2O3 und Y2O3
Si3N4-Kristalle
21
Ressourcenschonung mit Kunststoffen
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Kunststoffe / Polymere in der Brennstoffzellentechnik
22
Biokunststoffe
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Beispiel: Nutzung in der Landwirtschaft
[Bilder: FKuR Kunststoff GmbH und deren Kunden, European Bioplastics]
23
Herkunft der Monomere
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Herstellung biobasierter Polymere
Stärke, Lignin,
Naturkautschuk,
Cellulose
Chitin,
Kasein,
Spinnenseide
Milchsäure-
bakterium:
→ LA
Bakterium Aeromonas
hydrophila: → PHA Bioethanol → Bio-PE
Rizinusöl → Bio-PA
24
Biokunststoffe in unterschiedlichsten Anwendungen
Biopolymere und Biokunststoffe
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Nachhaltigkeit mit Zukunftspotenzial
[Quelle: European Bioplastics, IfBB, nova-Institut, 2015]
28
Selektives Lasersintern
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Auspacken der Bauteile aus dem Pulverkuchen
Bildquellen: www.ktechnik.de
29
Selektives Lasersintern
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Individualität trotz Massenfertigung
Bildquelle: Kegelmann Technik
30
Ressourcenschonung mit Kunststoffen
Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten
Energieeinsparung durch Leichtbau
CFK: ca. 50 % leichter als herkömmliche Bauweise
[Quelle: BMW Group] i3 und i8
Kohlenstofffaser-Monocoque Porsche 918
Spyder
[Quelle: Kunststoffe, Porsche]
32
Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung
Europas größte Textilforschungseinrichtung
gegründet 1921, Stiftung des öffentlichen Rechts
3 Forschungseinrichtungen, 1 Produktionsgesellschaft (ITVP)
Anwendungsorientierte Forschung vom Molekül bis zum Produkt auf 25.000 m2
Forschung mit industriellen Pilotanlagen, Fokus Technische Textilien und Life Science
Anbindung an Uni Stuttgart und Hochschule Reutlingen über 3 Lehrstühle und 2 Professuren
33
Einsatzgebiete von Textilien
Bekleidung
- Oberbekleidung
- Unterbekleidung
- Sportbekleidung
Technische Textilien
- Automobiltextilien
- Geotextilien
- Textilien für Umweltschutz
- Schutzbekleidung
- Outdoor-Textilien
- Medizin-Textilien
- Faserverbundwerkstoffe
- Bautextilien
- Textilien für Biomedizin
Heimtextilien
- Teppiche, Bodenbeläge
- Vorhänge
- Möbelstoffe
- Bettwäsche
usw.
34
Faserbasierte Produktenwicklungen
34
Kostengünstige Carbonfasern aus
nachwachsenden Rohstoffen Energieunabhängiges Gebäude mit
flexiblen solarthermischen
3D-Textilkollektoren
Endkonturnahe 3D-Textilien
für Faserverbundbauteile
35
Textilien für die Medizin
Schläuche
- Gefäßprothesen
- Trachea, Oesophagus
Wundheilung
Verbandsmaterial
Nahtmaterial
Trägermaterialien
Tissue Engineering
Drug Delivery
Verstärkung
Osteosynthese
Sehnen
Herniennetze
Separation Dura
Patches
Occluder
Diagnostische
Systeme
Smart Textiles
Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und
Plasmatechnologie
Technik, Wissen
und Bildung für
den Menschen
© Fraunhofer IGB
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 38
Biologisch-medizinische Grenzflächen
Chemisch-physikalische Grenzflächen
Grenzflächenverfahrenstechnische Prozesse
Plasmatechnologie
Mikrowellentechnologie
Plasmadynamik und -diagnostik
Forschungsbereiche des IGVP
© Fraunhofer IGB
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 39
Chemisch-physikalische Grenzflächen Kompositmaterialien, Hybridmaterialien, auch in ionischen
Flüssigkeiten
Biomaterialien und Nanobiomaterialien und die Interaktion mit Zellen
Nano- und mikrostrukturierte (bio-)funktionale Oberflächen
Biomimetische Funktionsschichten für Medizin und Biotechnik
Kern-Schale-Nano- und Mikropartikel, insbesondere mit biomimetischer Schale
Verfahren zur Dispersion von Nanomaterialien
Aufbau von künstlichen Geweben (Bioprinting)
3D Tissue Engineering
Aufbau vaskularisierter Gewebe
Gewebespezifische Bioreaktorentwicklung
Isotherme Durchflusskalorimetrie
© Fraunhofer IGB
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 40
Di- und tetrafunktionelle Quervernetzer auf Basis von Pyridin, vergleichbar mit Desmosin
Wasserlösliche und seitengruppen-funktionalisierte Polymerrückgrate auf Basis von PEG
Mechanische Eigenschaften einstellbar über…
Vernetzungsgrad
Wahl von Polymer und Vernetzer
Quellvermögen
Laufzeit: 08/2009 – 07/2012
SynElast – Desmosin- und Elastin-Mimetika
Elastinmimetika
Synthetisches Polymer
Desmosinmimetikum
Wasserlöslichkeit
Funktionelle Gruppen für
Quervernetzung
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 41
• Identifizierung von Biomarkern
• Enzym- und Mikroorganismen-Screening
• Microarray-Technologien für Diagnostik und
biomedizinische Forschung
• Wechselwirkungen von Mikroorganismen mit
Oberflächen
• Wirt-Pathogen-Interaktionen (Viren, Bakterien, Pilze)
• Virus-basierte Therapien
• Synthetische Biologie
• Entwicklung von zellbasierten Assays und
3D Gewebemodellen
• Zellfreie Proteinsynthese
Biologisch-medizinische Grenzflächen
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 42
• Fungal Yeast Identification FYI-Chip
• Komplette Analyse im Minilabor anvisiert,
Größe 25 mm x 75 mm
• Nachweis aller klinisch relevanten
Hefe- und Schimmelpilzerreger
• Nachweis relevanter Resistenzen
Forschungsschwerpunkte IGVP:
• Entwicklung diagnostischer DNA-
Microarrays für Lab-on-Chip-Systeme
Microarraytechnologien und Diagnostik –
»Komplettes Labor auf wenigen Quadratzentimetern«
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 43
• Entwurf und Entwicklung linear ausgedehnter und
großflächiger Plasmaquellen bei Nieder- und
Atmosphärendruck
• Mikroplasmen
• Plasmabeschichtung und Oberflächenfunktionalisierung
• Plasmadiagnostik und Plasmacharakterisierung
• Modellierung und Simulation der Plasmen
• Untersuchungen zur Plasmaphysik und Plasmachemie
• Entwicklung von Plasmaprozessen für industrielle
Anwendungen
Plasmatechnologie
Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 44
• Atmosphärendruck-Plasmatechnologie
für die Oberflächenbehandlungen und
-beschichtungen
• Minimierung des Gaseinsatzes und Maximierung der
Precursorenausnutzung
Forschungsschwerpunkte IGVP:
• Mikrowellen-Plasmabrennergeometrien
• Modellierung der Mikrowellenfeldverteilungen
• Modellierung des Gasmanagements
• Verdampfung von Partikeln für chemische Hochrateprozesse
Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen
© Fraunhofer IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
HERZLICH WILLKOMMEN
© Fraunhofer IGB
Grenzflächentechnologie und Material-wissenschaften
Molekulare Biotechnologie
Physikalische Prozesstechnik
Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik
Zell- und Tissue Engineering
Kernkompetenzen / Abteilungen
Wärme- und Sorptions-prozesse
Elektrophysikalische Prozesse
Komponenten- und Systementwicklung für aseptische Prozesse
Grenzflächen
Partikel
Membranen
Plasmatechnologie
Funktionale Genom-analysen
Infektionsbiologie und Arraytechnologie
Molekulare Zell-technologien
Enzym-, Stamm- und Prozessentwicklung
Bioenergie und Bioprozesstechnik
Algentechnologie
Integriertes Wasser-management
Grenzflächenbiologie und Hygiene
In-vitro-Testsysteme
Zell-Material-Interaktionen, Biomaterialien
Kardiovaskuläres Tissue Engineering
Implantate
Organ-on-a-Chip
© Fraunhofer IGB
Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft
Ultradünne Schichten
Molekular definierte und schaltbare Oberflächen, Molekulares Prägen
Biomimetische und biofunktionale Grenzflächen, Nanobiotechnologie
Nanopartikel, Nanotubes, NANOCYTES®
Organische und anorganische Trennmembranen
Grenzflächenanalytik
Plasmaverfahrenstechnik
© Fraunhofer IGB
Gesundheit Chemie und Prozessindustrie
Umwelt und Energie
Forschungshighlights aus dem Fraunhofer IGB
Anti-Eis-Beschichtung zur Reduzierung der Eishaftung um mehr als 90 %.
Polymere Adsorber-partikel für die selektive Abtrennung oder Aufkonzentrierung.
BioSurf – Neue Produktions-methoden für Biotenside.
Lignocellulose-Bioraffinerie – Erfolgreiche Umsetzung in den Pilotmaßstab.
Toxikomb – Gefahrstoff-detektion in Trinkwasser.
Molecular Sorting – Rückgewinnung von Metallen.
Membran für die Energieumwandlung durch Osmose.
Stärke aus Mikroalgen – Rohstoff zur Herstellung von Biokraftstoffen.
Zellfreie »Off-the-shelf«-Herzklappe aus elektrogesponnenen Fasern.
RIBOLUTION – Plattform zur Identifizierung ncRNA-basierter Diagnostika.
Suche nach Immun-modulatoren mit zellbasiertem TLR-Screening- Assay.
Fraunhofer-Leitprojekt »Zellfreie Bioproduktion«.
Personalisierung
Modifiziert vonhttps://marketingland.com/wp-content/ml-loads/2016/12/EZS_1610_Personlztn-dmd-1920.jpg
Personalisierungstrend wird befeuert durch neue technische Möglichkeiten
In Anlehnung an: The Global Manufacturing Revolution; Quellen: Ford, beetleworld.net, bmw.de, dw.de
Pro
du
ktv
olu
me
n
pro
Va
ria
nte
z.B. 3D-Druck
z.B. VW Käfer
“People can have the Model T in any colour − so long as it‘s black.“ Henry Ford (1913)
z.B. »Tissue Engineering« (personalisierte Zelltherapeutika)
1850
1913
1955
1980
2000
Massenproduktion
Produktvielfalt
• Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie [69110] 6 LP 3. Sem.
• Einführung Materialwissenschaft II [69100] 6 LP 4. Sem.
• Physikalische Materialeigenschaften [68850] 6 LP 5. Sem.
oder
Strukturanalyse und Materialmikroskopie [68880] 6 LP
• Semesterarbeit 5. Sem.
• Praktikum Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende [69090] 3 LP 6. Sem.
• Bachelorarbeit 6. Sem.
Vertiefung Material [330]
Lernziele:
Die Studierenden
• verstehen an ausgewählten Beispielen die Arbeitsweise und die Konzepte der Physikalischen
Chemie
• können Modelle und Gesetze der Physikalischen Chemie zur Lösung
ingenieurwissenschaftlicher Fragestellungen anwenden
• können physikalisch-chemische Messungen durchführen und deren Ergebnisse mit den
Methoden der Physikalischen Chemie analysieren
Prof. Frank Gießelmann
Institut für Physikalische Chemie
Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie
3. Sem. (WiSe)
Inhalte der Vorlesung „Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie“
• Thermodynamik von Festkörpern
Thermodynamische Potentiale, Flüsse, Kräfte und Suszeptibilitäten, elastische,
elektrische und magnetische Arbeit, thermodynamische Behandlung des elastischen
Festkörpers im elektrischen Feld, Phasenumwandlungen erster und zweiter Ordnung,
kritisches Verhalten, Landau-Regeln
• Dielektrische und optische Eigenschaften
Polarisierbarkeit und Dipolmoment, induzierte Polarisation (inneres Feld, Clausius-
Mosotti-Beziehung, Debye-Gleichung), Dispersion und Absorption (quasielastisch
gebundenes Elektron, Debye-Relaxation, Orientierungs-, Atom- und elektronische
Polarisation, dielektrische Spektroskopie, Kramers-Kronig-Relation), spontane Polarisation
(Piezo-, Pyro- und Ferroelektrika, Landau-Theorie ferroelektrischer
Phasenumwandlungen)
• Grenzflächen und Kolloide
Thermodynamik der Grenzflächen, Oberflächenspannung, Kontaktwinkel und Benetzung,
zweidimensionale Oberflächenfilme, Mizellbildung, kolloiddisperse Systeme, Adsorption
an Festkörperoberflächen (Physi- und Chemisorption, Langmuir-, Freundlich- und BET-
Isothermen, isostere Adsorptionsenthalpie)
Lernziele:
Die Studierenden
• verstehen Konzepte des Aufbaus von Festkörpern sowie deren Eigenschaften
• beherrschen das Lesen und die Anwendung von binären Phasendiagrammen
• können Eigenschaften und Eigenschaftsänderungen in Beziehung zur Konstitution und zu
Phasenumwandlungsvorgängen in behandelten Materialsystemen betrachten und beurteilen
• verstehen grundlegende Mechanismen, welche Materialeigenschaften auf mikrostruktureller
und atomistischer Skala beeinflussen, auf einer phänomenologischen Basis
• Können über Grundbegriffe von Materialeigenschaften u. -herstellung kommunizieren.
Ralf Schacherl
Marc Widenmeyer
Prof. Anke Weidenkaff
Institut für Materialwissenschaft
Einführung Materialwissenschaft II
4. Sem. (SoSe)
Inhalte der Vorlesung „Einführung Materialwissenschaft II“
• Atomarer Transport
Generische Lösungen der Fick‘schen Gleichungen, Ionenleitung, Elektrotransport
• Phasenumwandlungen
homogene Keimbildung, Erstarrungsreaktionen, Ausscheidungsreaktionen, spinodale
Entmischung
• Metallische Werkstoffe
Fe-C Zustandsdiagramme und Mikrostruktur von Fe-C Legierungen
Snoek-Effekt; Ledeburit-, Perlitt-, Sorbit-, Trostit-Gefuege; Zwischenstufengefuege,
Martensit; Isothermes ZTU Diagramm; Phasenumwandlungen in Al-Cu Legierungen
• Hybridmaterialien
• Materialien in der Anwendung
Lernziele:
Die Studierenden
• können Phasendiagramme physikalisch begründen
• können Leitfähigkeit und Magnetismus mittels Kontinuums-Modellen beschreiben
• können Aspekte mechanischen Verhaltens voneinander abgrenzen und erklären
• können strukturelle Ursachen makroskopischer Verformung erklären
• verstehen die grundlegenden Strategien zur Härtung von Materialien.
• kennen Fragestellungen aktueller wissenschaftlicher Forschung in der Mechanik
nanoskalierter Materialien
Prof. Dr. Guido Schmitz
Institut für Materialwissenschaft
Strukturanalyse und Materialmikroskopie
5. Sem. (WiSe)
Inhalte der Vorlesung „Strukturanalyse und Materialmikroskopie“
• Thermodynamik und physikalische Ableitung von binären Phasendiagrammen,
Theorie des mittleren Feldes und reguläre Lösungsmodelle
• Wärmeleitungsgleichung und Ficksche Gleichungen, ihre mathematischen
Lösungsverfahren und typische Lösungen, Statistische Deutung der Diffusion
• Drude Modell der elektronischen Leitung, Einführung in die Bändervorstellung
• Dia, Para- und Ferromagnetismus, Grundzüge ihrer physikalischen Beschreibung,
Magnetisierungskurven, Hysterese, Koerzitivfeldstärke
• Phänomenologie mechanischer Eigenschaften: Elastizität, Anelastizität,
Pseudoelastitizität, Viskosität, Plastizität, Härte, Zähigkeit, Ermüdung, Bruch
• Mechanische Prüfverfahren
• Elastizitätstheorie: Spannung, Verzerrung, Elastische Moduli, Tensorformalismus
• Messung elastischer Moduli
• Energie- und Entropie-Elastizität
• Plastische Verformung und Versetzungen
• Grundzüge der Versetzungstheorie
• Prinzipien des mechanischen Materialdesigns
• Materialversagen durch Bruch, Fraktographie
• Materialermüdung unter Wechselbelastung
• Mechanische Eigenschaften Nanostrukturierter Materialien
• Prinzipien der Materialauswahl
Lernziele:
Die Studierenden
• kennen Methoden zur Bestimmung der Mikrostruktur von Materialien
• verstehen den Aufbau und die Funktionsweise eines Lichtmikroskops
• können die Grundzüge der Wellenoptik und gängige Beugungsverfahren erläutern
• können einfache Diffraktogramme interpretieren
• kennen den Aufbau eines Raster- und Transmissions-Elektronenmikroskops
• können die Funktionsprinzipen der Atomsondentomographie und der
Rastersondenmikroskopie erklären
Prof. Dr. Guido Schmitz
Institut für Materialwissenschaft
Physikalische Materialeigenschaften
5. Sem. (WiSe)
Inhalte der Vorlesung „Physikalische Materialeigenschaften“
• Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
• Quantitative Metallographie
• Grundzüge der Strahlenoptik, Linsen und Linsenfehler
• Aufbau eines Lichtmikroskops, Prinzip des Phasenkontrasts und der konfokalen
Mikroskopie
• Grundzüge der Wellenoptik, Beugung und Abbildung
• Verfahren und Kontraste der Röntgen und Neutronenbeugung
• Symmetrie von Kristallen, Punktgruppensymmetrie (Hermann-Mauguin-Symbolik),
Translationsymmetrie/Bravaisgitter, Raumgruppen, Kristallklassen, Reziproker
Raum, Laue-Klassen
• Umgang mit Kristallstrukturinformationen, Datenbanken
• Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Grundlegende Kontrastverfahren
der Transmissionsmikroskopie und Interpretation der Abbildungen
• Analytische Elektronenmikroskopie
• Atomsondentomographie
• Rastersondenmikroskopien
Lernziele:
Die Studierenden
• kennen Funktionsweise und Bedienung der einschlägigen Messinstrumente
• können selbständig Experimente u. Versuche durchzuführen,
• können Messergebnisse aufbereiten, interpretieren und schriftlich darstellen,
• kennen grundlegende statistische Werkzeuge zur Einschätzung und Verbesserung der
Messgenauigkeit
Prof. Joachim Bill
Prof. Michael Buchmeiser
Prof. Sabine Ludwigs
Prof. Dr. Guido Schmitz
Prof. Anke Weidenkaff
Praktikum Materialwissenschaft
für Nebenfach-Studierende
6. Sem. (SoSe)
Inhalte des „Praktikums Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende“
Durchführung von 4 Labor-Experimenten nach Wahl zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung von
Keramiken, Metallen und polymeren Werkstoffen.
Im folgenden sind Beispiele möglicher Versuche angegeben
• Anwendung thermodynamischer Datenbanken und Modellierung von
Phasendiagrammen
• Untersuchung der Gefügeumwandlungen in Fe-C Legierungen
• Messung des Spannungsdehnungsverhaltens von fcc Metallen
• Kaltverformung, Erholung und Rekristallisation von Aluminium
• Sinterversuch/Dilatometrie
• Gefriergießen
• Herstellung von Polystyrol über freie radikalische Polymerisation & Herstellung
eines Polyurethans über eine Polyadditionsreaktion
• Bestimmung des Molekulargewichtes und seiner Verteilung mittels
Gelpermeationschromatographie (GPC)
• Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Polymeren mittels
Wärmeflusskalorimetrie (DSC)
Voraussetzungen
Interesse in den folgenden Fächern:
• Physik
• Chemie
• Biologie
• Mathematik • Englisch
Motivation
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