Der Forschungscluster »Programmierbare Materialien« CPM erarbeitet die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für Materialien, die durch ihre molekulare Struktur und ihr makroskopisches Design ganze hochfunktionale Systeme ersetzen können.
Das Fraunhofer IAP leistet für den Cluster Beiträge zum molekularen Verständnis von Programmierungsvorgängen in Polymeren und zum 2D-Scale-up von polymerbasierten Filmen (Membranen). Die für den Cluster wichtigen Kernkompetenzen liegen in der Membranformierung und -herstellung, Formgedächtnispolymere, programmierbare Hydrogele und Freisetzungskinetiken sowie schaltbare Polymermaterialien.
Im Bereich programmierbarer Stofftransport wurde 2024 erfolgreich eine Technologie zur bedarfsgerechten Freisetzung von Wirkstoffen im Bausektor entwickelt. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU konnte dafür ein Demonstrator aufgebaut werden. Wird Mauerwerk beschädigt und bildet sich ein Riss, wird eine schützende Substanz mit Hilfe von Mikrokapseln an der Grenzfläche freigesetzt. Diese Mikrokapseln sind speziell auf das Material, also die Mörtelmasse, abgestimmt.
Auf dem Gebiet der programmierbaren Reibung wurde ein Konzept entwickelt, bei dem Flüssigkeiten elektrisch freigesetzt werden können. Tribologisch beanspruchte Beschichtungen zeigten dabei niedrigere Reibwerte als kommerziell erhältliche Gleitlacke. Außerdem wurden optisch schaltbare Schmierstoffe genauer untersucht. Sie können ihre Eigenschaften unter Einfluss von Licht verändern und sind besonders interessant für die Blechumformung. Erfolgreich wurde ein ölmischbares Schaltmaterial auf der Basis von Rizinusöl synthetisiert. Da Basisöle für Schmierstoff-Formulierungen im Umformbereich normalerweise auf hydrophoben Mineralölen basieren, stellt der Einsatz einer nachwachsenden, umweltfreundlichen Rohstoffquelle einen wichtigen Meilenstein dar.
In Kooperation mit dem Fraunhofer ICT ist die Entwicklung eines neuartigen Systems gelungen, das einen Schutz vor Unterkühlung in Gebäuden, Gewächshäusern oder auch bei Transportprozessen bieten kann. Das System reagiert autark auf Temperaturveränderungen seiner Umgebung, indem sich ein Aktorelement aus Formgedächtnispolymeren beim Erwärmen zusammenzieht und beim Abkühlen ausdehnt. Die daran befestigten Kristallkeime werden in einem Regenerationsprozess aus einem schaltbaren Phasenwechselmaterial herausgezogen und bei tieferen Temperaturen wieder mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt gebracht, woraufhin es zu einer kontrollierten Freisetzung von Wärme kommt. Die erfolgreiche Skalierung vorausgesetzt können solche Systeme zukünftig sicherstellen, dass die Umgebungstemperatur zum Beispiel in Wohngebäuden nicht unter einen vorab festgelegten Schwellenwert fällt, der im Wesentlichen durch die untere Auslösetemperatur des Formgedächtnispolymers bestimmt ist.
Um die Anwendungsrelevanz für programmierbare Materialien zu stärken, wurde die Zusammenarbeit mit der Industrie weiter vorangetrieben. Anwendungsszenarien wurden in sogenannten Serendipity Days mit Industriekunden besprochen. Dies geschah vor dem Hintergrund, den Cluster als Kooperationsprojekt mehrerer Fraunhofer-Institute eigenständig nach dem Fraunhofer-Forschungs- und Finanzierungsmodell auch nach 2026 fortzuführen.
Um programmierbare Materialien zu konzipieren und produzieren, führt das Exzellenzcluster die Kompetenzen von sechs Fraunhofer-Instituten zusammen. Gemeinsam beherrschen sie Materialien und Prozesse von der molekularen bis zur makroskopischen Skala. Zusammen mit Partnerinstituten entwickeln sie Programmierbare Materialien exemplarisch in zwei Kernthemen, die sich auf Transporteigenschaften und mechanische Materialeigenschaften fokussieren, also Eigenschaften, die in üblichen Werkstoffen kaum verändert werden können und somit besonders interessant sind. Das Ziel des Fraunhofer Clusters ist die Einprogrammierung von Logiken in Materialien zur gezielten Veränderung oder Anpassung, beispielsweise der Form oder optischer oder mechanischer Eigenschaften. Im Cluster soll dazu ein Verständnis, Design und Engineering der inneren Struktur von Materialien
realisiert werden, das die verschiedenen Größenordnungen von der molekularen Ebene über chemische und strukturelle Eigenschaften (insbesondere an Grenzflächen) bis hin zu makroskopischen Objekten berücksichtigt. Damit wird ein funktionales Bauteildesign durch die Beherrschung der komplexen (inneren) Materialstruktur und dem Programmieren der Materialeigenschaften möglich.
Fraunhofer-Institut für 