Bauphysik

Ingenieure und Industriedesigner fordern immer mehr von Werkstoffen. Die Materialforschung liefert dabei die Zutaten für die Produkte der Zukunft.

Wenn Chemie den inneren Aufbau von Materialien bestimmt, beschreibt die Physik ihr äußeres Erscheinungsbild und die Wechselwirkungen untereinander: Physikalische Einflüsse entscheiden, ob Wassertropfen zu Schneeflocken, Eis oder Hagelkörner werden, ob ein Stück Metall als Kette oder Schwert endet – und ob eine Brücke stehen bleibt oder zusammenfällt.

Bei immer höheren und komplizierteren Konstruktionen der Ingenieure müssen die Materialforscher überprüfen: Kann ein Beton oder ein Metall solcher Belastung standhalten? Wie verhält sich ein Material, wenn es in ungewöhnliche Formen gebracht wird? Früher reichte es aus, die makroskopische Struktur unter statischer und dynamischer Belastung zu prüfen. Heute ist klar, dass auch die Mikrostruktur, das Materialverhalten auf atomarer Ebene eine große Rolle spielt. Bei Brüchen und Rissen zum Beispiel kann es geschehen, dass in kleinsten Dimensionen statt der klassischen Physik plötzlich quantenmechanische Regeln gelten.

Die Quantenmechanik erklärt auch, weshalb Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren und hochempfindliche Messgeräte für Magnetfelder (SQUIDs) möglich sind. Andere so genannte „intelligente Materialien“ bleiben aber auch mit klassischer Physik spannend und eröffnen neue Anwendungsfelder.

Doch neben den Materialien an sich geht es zudem um ihre intelligente Verarbeitung: Immer genauere Computersimulationen ihrer Eigenschaften können helfen, nur so wenig Werkstoff wie möglich zu verbrauchen. Neue Berechnungsmethoden beschleunigen den Vorgang und sparen Rechenzeit.