Chemie: Die Grundlage für Werkstoffe

Der inhärente Zusammenhang zwischen Chemie, Werkstoffen und Nanotechnologie wird anhand der folgenden zwei konkreten Beispiele deutlich: . Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Bildungsgeschwindigkeit von Reaktionsprodukten erhöht bzw. die Aktivierungsenergie zur Bildung dieser erniedrigt, ohne dabei selbst merklich verbraucht zu werden. Viele chemische Reaktionen ermöglicht er überhaupt erst. Katalytische Vorgänge sind in Natur und Technik weit verbreitet. Biokatalysatoren, d. h. Enzyme, steuern eine Vielzahl lebenswichtiger chemischer Vorgänge in lebenden Organismen, ohne sie wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Auch in der industriellen Chemie und bei der Herstellung von polymeren Werkstoffen werden Katalysatoren in großem Umfang eingesetzt. So werden jedes Jahr Waren im Wert von mehr als einer Billion Euro mit Hilfe technischer Katalysatoren hergestellt. 90 % aller chemisch basierten Produkte haben in irgendeinem Stadium ihrer Herstellung einen katalytischen Schritt durchlaufen.

Katalysatoren sind aber auch effiziente Wegbereiter zur Veredelung, Wiederverwertung sowie zum sparsamen Einsatz von Roh- und Werkstoffen unter gleichzeitiger Einsparung von Energie. Sie können wesentlich mithelfen, dass beim Herstellungsprozess umweltschädliche Stoffe in geringer Menge oder gar nicht gebildet werden, dass möglichst wenig Abwasser und Abluft entstehen und möglichst viel des gewünschten Produktes erzeugt wird. . Das 21. Jahrhundert wird u. a. dadurch geprägt sein, dass Herstellmethoden entwickelt und eingeführt werden, durch die sich Werkstoffe, Apparate und vielleicht sogar Maschinen praktisch von allein aufbauen können. Das Zauberwort heißt: Selbstorganisation als Konstruktionsprinzip. Das ist ein Prozess, bei dem sich Atome, Moleküle, Molekülverbände bis hin zu Bauteilen aus sich heraus zu wohlgeordneten, funktionierenden Einheiten zusammenfügen. Dieses Konzept ist ein Grundprinzip der Natur. Diese kennt zwei Arten der Selbstorganisation: 0 durch das Wirken physikalischer Gesetze (Beispiel: ein Regentropfen auf einem Blatt nimmt nach den Gesetzen der Thermodynamik die Form einer perfekten optischen Linse an), 0 durch codierte Selbstorganisation, d. h. aus implizit im Ausgangsmaterial enthaltenen Anweisungen (Beispiel: Embryonalentwicklung). Entscheidend für die Zukunft wird sein, diese Prozesse zu beherrschen und für technische Systeme zu nutzen. Die Beispiele ließen sich fortsetzen: Das Thema Grenz- und Oberflächen oder die Beantwortung der Frage "Warum haften ein guter Klebstoff und das Lotusblatt nicht?" haben unmittelbar mit Chemie und Werkstoffen zu tun. Haftungsvorgänge zwischen unterschiedlichen Materialien spielen in zahlreichen wirtschaftlich bedeutenden Technologiefeldern eine zentrale Rolle. Das Haftverhalten resultiert aus vielen verschiedenen Wechselwirkungen mechanischer, physikalischer und chemischer Natur und zwar von der nanoskopischen bis hin zur makroskopischen Skala. Hinzu kommt, dass die Wechselwirkungen zusätzlich noch von Prozessparametern beeinflusst werden. Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge ist es bisher nicht gelungen, Grundlagen und Mechanismen der Haftung auch nur annähernd zu verstehen. Handlungsfelder im Programm WING, die Chemie und Werkstoffe substanziell miteinander verbinden, sind: Stoffe und Reaktionen, Werkstoffe, Chemie und Lebenswissenschaften, Schichten und Grenzflächen, Nanotechnologische Werkstoffkonzepte, Bionische Werkstoffe und Energieeffiziente Werkstoffe.