Sie steuern Ventile, verstellen Klappen oder regeln Flüssigkeitsströme: 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 Maßstab zum Einsatz, zum Beispiel in der Mikroelektronik. Wie sich die Funktion dieser Steuerelemente auf kleinem Raum noch optimieren lässt, untersuchen Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität 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 interdisziplinären 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. Während Sensoren Informationen erfassen und als Signale weitergeben, setzen Aktuatoren diese Befehle in mechanische Bewegungen um und können 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 ermöglicht es uns, die bisher kaum untersuchten Mikro-Aktuatorensysteme gemeinsam mit Expertinnen und Experten verschiedener Disziplinen bundesweit zu erforschen und damit einen großen 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 Formgedächtnislegierungen 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 Formgedächtnislegierungen, 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 Formgedächtnis-Effekt jedoch schwächer, was eine Verkleinerung von Mikrosystemen erschwert.
Um solche miniaturisierten Anwendungen zu verbessern, will das Forschungsteam spezielle, besonders dünne Schichten aus Formgedächtnislegierungen für den Bau von Nano-Aktuatoren herstellen. Sie erhoffen sich, so mehr Aktuatoren auf einer kleineren Fläche anordnen zu können, 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 anschließend im Kieler Nanolabor zu realisieren. „Der kleine Maßstab und die komplexen Wechselwirkungen machen diese Berechnungen sehr aufwendig. Maßgeschneiderte Simulationsmethoden zu entwickeln, ist daher ein weiteres Ziel unseres Projektes“, erklärt 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 ändern 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 Universität Bremen, durch. Erste, sehr einfache Mikroaktuatoren auf Hydrogelbasis existieren bereits. Weiterentwickelte Systeme könnten in Zukunft für medizinische Anwendungen eingesetzt werden, um zum Beispiel Flüssigkeiten im Mikromaßstab zu steuern oder in der Diagnostik Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu sortieren.
Um solche komplexen Anwendungen zu ermöglichen, will Selhuber-Unkel maßgeschneiderte Hydrogele entwickeln, die auf verschiedene Impulse reagieren können. Dazu plant sie, wärmeempfindliche Polymere mit lichtschaltbaren Molekülen zu ergänzen. „Wir erhoffen uns, die einzelnen Mikroaktuatoren mit Licht deutlich gezielter kontrollieren zu können und so die Funktionalität 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 ließe sich eine Vielzahl von Zellparametern mit einem einzigen System analysieren.
Mit den Schwerpunktprogrammen (SPP) will die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Wissenschaft in besonders aktuellen oder sich gerade bildenden Forschungsgebieten gezielt fördern. Durch die bundesweite Bündelung von Kompetenzen verschiedener Forschungseinrichtungen und Hochschulen erhofft sich die DFG spürbare interdisziplinäre Impulse in der Weiterentwicklung zentraler Themen.
