EmpaNews Februar 2011

Türöffner zur Nanoweltfeiern Jubiläum 06

Plasmatechnologie fürdie Textilindustrie 18

Detektivarbeit beidefekter Elektronik 20

Magazin für Forschung, Innovation und TechnologietransferJahrgang 9 / Nummer 32 / Februar 2011

EmpaNews

Kunstrasen mitStehauf-Qualität 16

02 // Editorial

Mikroskope & NobelpreiseTüröffner zur Nanoweltfeiern Jubiläum 06

Null Risikogibt es nicht

Die Nanotechnologie – oder besser: die Nanotech-nologien – hat Grund zum Feiern. Dieses Jahrjährt sich die «Geburtsstunde» des Rastertunnel-

mikroskops zum 30. Mal. Dieses Instrument und weiterehaben die Welt der Atome und Moleküle sichtbar und da-

mit überhaupt erst zugänglich gemacht. In-zwischen wurden dank Nanoeffekten zahl-reiche Materialien und Produkte mit neuen,viel versprechenden Eigenschaften entwi-ckelt und auf den Markt gebracht.

Und wie immer, wenn Menschen mitneuen Technologien konfrontiert sind, se-hen einige darin ein halb volles, andere einhalb leeres Glas. In diesem Spannungsfeldbedeutet ein verantwortungsvoller Umgangmit «Nano», mögliche Risiken rechtzeitig zu

erkennen und zu minimieren, ohne gleichzeitig die enor-men Chancen etwa im Energie- oder Umweltbereich zuverspielen.

Die vielerorts gestellte Forderung nach «Null Risiko»,die einer immer mehr um sich greifenden Vollkasko-Men-talität entspringt, hilft dabei wenig. Risiken gehören seitje zu unserem Dasein. Sie sind das Begleitgeräusch jegli-cher Veränderung, denn: Wer neue und daher unsicherePfade betritt, der wagt, der riskiert etwas.

Und neue Technologien können unser Leben gehörigauf den Kopf stellen. Man denke nur an die Einführungdes Automobils oder des Internets. Daher heisst es in sol-chen Situationen, die Kosten – sprich: die potenziellen Ri-siken – gegen den zu erwartenden Nutzen abzuwägen.Und zwar rational und unter Berücksichtigung sämtlicherzur Verfügung stehender Fakten.

In diesem Bereich tut sich in der Schweiz derzeit ei-niges: Gerade ist das neue Nationale Forschungspro-gramm «Chancen und Risiken von Nanomaterialien» an-gelaufen, an dem Empa-Forschende massgeblich beteiligtsind. Und im Mai findet in Baden die von der Empa mit-organisierte «Swiss NanoConvention» statt, die den inter-disziplinären Dialog zum Thema «Nano» verstärken undausbauen will.

Viel Vergnügen beim Lesen.

Michael HagmannLeiter Kommunikation

Titelbild

Empa-Forschende haben zusammen mitder Schweizer Firma TISCA TIARA eineBikomponentenfaser für einen neuartigenKunstrasen entwickelt, die sich dankhartem Kern immer wieder aufrichtetund aufgrund der weichen HülleHautschürfungen und Verbrennungenvermeidet. (Bild: TISCA TIARA)

Inhalt // 03

Ursachen & WirkungenDetektivarbeit bei defekterElektronik 20

Tragkomfort & UmweltschutzPlasmatechnologie für dieTextilindustrie 18

Chemie & AnalysenRastertunnel- und Rasterkraft-mikroskopie heute 10

Forschung und Entwicklung04 Die Kunst des Isolierens

Fokus: Nanotechnologie und ihre Instrumente

06 Pforte in die Nanowelt

08 Forschungsprogramm gestartet

10 Happy Birthday!

13 Chemie mit Elektronenstrahlen

Wissens- und Technologietransfer

16 Kunstrasen mit Stehauf-Qualität

18 Auf Industrie getrimmt

Dienstleistungen20 Fehlersuche – erfolgreich beendet

Wissenschaft im Dialog

22 Swiss Innovation Forum 2010

23 Tage der Technik 2010

24 Veranstaltungen

Impressum

HerausgeberinEmpaÜberlandstrasse 129CH-8600 Dübendorfwww.empa.ch

Redaktion & GestaltungAbteilung Kommunikation

KontaktTelefon +41 44 823 47 [email protected]

Erscheint viermal jährlich

ISSN 1661-173X

COC-100246 FSC Mix

04 // Forschung und Entwicklung

In der Winterzeit entwickeln sich viele ungenügend isolierte Häuserzu wahren Energie- und damit Geldschleudern. Um Gebäude ener-getisch zu sanieren, gibt es verschiedene Ansätze. Im Interesse der

Empa stehen Hochleistungsdämmsysteme, die bei geringer Dicke einehohe Isolationsleistung erbringen. Die Abteilung «Bautechnologien»erforscht und verbessert verschiedene derartige Systeme, die teilweisenoch in der Entwicklung stehen, teilweise bereits im Handel sind.

Das Nichts dämmtSo genannte Vakuumisolationspaneele, kurz VIP, werden bereitsseit rund zehn Jahren im Schweizer Bauwesen eingesetzt. Dazuwerden Kernmaterialien mit Poren im Submikrometerbereich ineine Schutzfolie gehüllt. Anschliessend wird die Hülle bei einemDruck von einem Millibar verschweisst. Da im Innern nur rundein Tausendstel des Normaldrucks herrscht, isolieren VIP hervor-ragend; die gemessene Wärmeleitfähigkeit, der Lambda-Wert (l),liegt für fabrikneue Paneelen bei 4 mW/m.K und ist somit achtmalbesser als bei üblichen Dämmstoffen. Eingesetzt werden VIP auf-grund ihres höheren Preises vor allem in Spezialanwendungen,zum Beispiel unter Terrassen. Würden diese mit herkömmlichenDämmstoffen isoliert, läge der Terrassenboden höher als der Bo-den des angrenzenden Wohnraums.

Die Hauptfragestellung, die die Empa-Forschenden seit länge-rem bewegt, ist die Langlebigkeit: Halten die VIP die minimal er-forderlichen 25 Jahre, um die Anforderungen für Schweizer Bau-ten zu erfüllen? «Die in der Schweiz erhältlichen Paneele weiseneine hohe Qualität auf und die Marktführer sind deshalb auch sehrdaran interessiert, diese Standards zu halten. Dazu gehört dieLanglebigkeit», sagt Empa-Forscher und VIP-Experte SamuelBrunner. Er und seine Kollegen haben Testmethoden entwickelt,um die Abnahme der Isolationsfähigkeit von VIP über die Jahrezu bestimmen. Dazu werden die Paneele für rund sechs Monatein Klimakammern gelagert, danach messen die Forschenden denInnendruckanstieg und weitere alterungsrelevante Parameter.

Neue Technologien wie Vakuumisolations-paneele, Vakuumverglasung oder Aerogelesind die Zukunft der Gebäudeisolierung.Die Empa erforscht und optimiert dieseMöglichkeiten, um den Wärmeverlust einesHauses zu minimieren.

TEXT: Peter Merz

Die Kunst des Isolierens

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1Ein Gebäude wird zu einem Kunstwerk: Im Sommer 1995 hüllte das Künstler-paar Christo und Jeanne-Claude das Reichstagsgebäude in Berlinvollständig in silberglänzendes, feuerfestes Gewebe. Auch das effiziente undelegante Isolieren von Gebäuden ist schon fast eine Kunst, die auf viel Wissenund Können beruht. (Foto: txmx2, Flickr)

2Moderne Hochleistungsdämmsysteme wie Vakuumisolationspaneele bietenauch bei geringer Dicke eine hervorragende Isolierung. (Foto: Empa)

3Aerogele bestehen zu über 90 Prozent aus Luft, die in Poren von Nanometer-grösse eingeschlossen ist; deshalb isolieren die Materialien sehr gut.Zudem lassen sie Licht durch und ermöglichen so – zum Beispiel in einerTurnhalle – eine natürliche Beleuchtung. (Foto: Scobalit AG, Empa)

4Vakuumverglasung ermöglicht eine sehr gute Wärmeisolierung. Die Herausfor-derung besteht darin, die Scheiben so gut abzudichten, dass das Vakuumim Innern über Jahrzehnte bestehen bleibt. Empa-Forschende haben eineMethode zum Patent angemeldet, bei der zwei Glasscheiben mit einerZinnlegierung versiegelt werden. Das Ultraschallbild eines Laborversuchs (rechts)zeigt, dass die Verbindung mit dem Zinn rundherum ohne Unterbruchgelang. Die Dichtigkeit wurde in Leckmessungen bestätigt. (Foto: Empa)

Forschung und Entwicklung // 05

«VIP sind momentan das leistungsfähigste kommerziell er-hältliche Dämmsystem und erlauben es, Gebäude schlank zu iso-lieren», sagt Brunner. «Unsere Messungen haben ergeben, dass dieneuesten erhältlichen VIP nach 25 Jahren noch immer einen rela-tiv tiefen l-Wert von 6 mW/m.K haben werden. Gemäss den inder Dämmstoffindustrie üblichen Normansprüchen müssen nach25 Jahren immer noch über 90 Prozent der Paneele den deklarier-ten Wert unterschreiten. Es gibt weit und breit kein anderesDämmmaterial, das da mithalten kann und nach 25 Jahren nocheinen so tiefen l-Wert zeitigt.» So haben etwa Polyurethan-Dämmplatten l-Werte zwischen 22 und 28 mW/m.K, je nachdem,ob sie noch mit einer Diffusionssperre, meist aus Aluminiumfolie,beschichtet sind.

Ein Feststoff aus über 90 Prozent LuftWird die Porengrösse weiter verkleinert, können Dämmstoffe her-gestellt werden, die ohne Vakuum einen l-Wert unterhalb von 15mW/m.K erreichen. Solche Materialien, Aerogele genannt, wei-sen Poren in Nanometergrösse auf und bestehen zu 90 Prozentaus Luft. Die Abteilung «Bautechnologien» erforscht seit längeremsowohl Aerogelmaterialien als auch solche Systeme. So hat sieausgehend von kommerziellen Aerogelgranulaten einen Dämm-putz entwickelt, mit dem historische Bauten saniert werden kön-nen, ohne deren Erscheinungsbild zu verändern. Für 2011 sinderste Feldversuche geplant.

Matthias Koebel und sein Team entwickeln neuartige Aero-gelmaterialien, die vor allem als Dämmstoffe eingesetzt werdensollen, aber auch als Lichtleiter. So wurden bereits Dächer wir-kungsvoll mit Aerogelen isoliert, die gleichzeitig eine passive Be-leuchtung der Innenräume durch Tageslicht erlauben. Auch fürkünstliche Beleuchtungen sind Aerogele interessant. Die Empa-Fachleute untersuchen dazu Anwendungsmöglichkeiten in derLED-Beleuchtungstechnik.

Verbesserungspotenzial bei VakuumverglasungGut isolierte Dächer und Wände nützen allerdings wenig, wenndie Fenster die eigentliche Leckstelle sind. Vakuumverglasung istein weiteres Forschungsgebiet des Teams um Matthias Koebel.«Die heutigen Doppel- und Dreifachverglasungen verfügen zwarbereits über ziemlich gute Dämmwerte. Die Edelgase Krypton undXenon, mit denen die Fenster gefüllt werden, stehen jedoch nurbeschränkt zur Verfügung», sagt Koebel. «Die Alternative ist eineVakuumverglasung, die ähnliche oder sogar noch bessere Dämm-werte erzielt als die konventionelle Dreifachverglasung.» Zudemwerden die Fenster dünner, leichter und lassen mehr Licht durch.

Für heutige Vakuumverglasungen werden üblicherweise zweiGlasscheiben am Rand abgedichtet; anschliessend wird über ei-nen Pumpstutzen die Luft aus dem Innern evakuiert. Knackpunktdieses Verfahrens sind der Pumpstutzen, der nach dem Abpum-pen separat versiegelt werden muss, sowie die hohen Temperatu-ren, die während der Herstellung nötig sind. Das heute vor allemin Asien gängige Produktionsverfahren erlaubt nur Fenster mitVakuumverglasung, die eine ungenügende Dämmleistung aufwei-sen. Für den grossen Durchbruch, auch in der Schweiz, muss dieVakuumverglasung besser und langlebiger werden.

Koebel und seine Kollegen verfolgen einen neuartigen Ansatz,um die Scheiben zu versiegeln. Dafür untersuchten sie verschie-dene Materialien für den Randverbund. Als erfolgreich erwies sichim Labor eine Methode, bei der die Scheiben im Vakuum, dasheisst bei Drücken von 10-3 bis 10-4 Millibar, mit einer speziellenZinnlegierung abgedichtet werden. Ein Pumpstutzen ist nichtmehr nötig, da die Versiegelung direkt im Vakuum geschieht undkeine Luft aus dem Innern abgepumpt werden muss. Die Technikist zum Patent angemeldet. Zudem haben die Empa-Fachleuteauch Modelle entwickelt, um Alterungsprozesse der Vakuumver-glasung zu verstehen und deren Grössenordnung bereits reinrechnerisch abschätzen zu können. //

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4

Pforte in die NanoweltVor 30 Jahren bauten Heinrich Rohrer und Gerd Binnig am IBM-Forschungslaborin Rüschlikon bei Zürich erstmals erfolgreich ein Rastertunnelmikroskop,wofür sie bereits fünf Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielten. DieseEntwicklung gilt als einer der wesentlichen Schritte hin zur Nanotechnologie,dem Zugriff auf einzelne Moleküle und Atome und somit auf die Bausteineder Materie.

TEXT: Beatrice Huber / BILD: Empa

Nanotechnologie, wie wir sie heute kennen, gäbe es nichtohne die Instrumente, die diese Welt des extrem Kleinensichtbar und damit analysierbar und manipulierbar ma-

chen. Auch Empa-Wissenschaftler nutzen Geräte wie Elektronen-mikroskope, Rastertunnelmikroskope oder Rasterkraftmikrosko-pe für ihre Forschung und erweitern deren Einsatzgebiete, wie dieBeiträge auf den folgenden Seiten zeigen. Das Rastertunnelmikro-skop feiert dieses Jahr seinen 30.Geburtstag: 1981 entwickeltenHeinrich Rohrer und Gerd Binnig am IBM-Forschungslabor in Rüsch-likon das erste Rastertunnelmikroskop, das die nötige Präzision undStabilität aufwies. 1986 wurden sie dafür mit dem Nobelpreis inPhysik geehrt.

Mikroskop rastert Oberfläche abDas Rastertunnelmikroskop ist kein «echtes» Mikroskop, da eskein direktes Bild des untersuchten Objekts erzeugt. Das Instru-ment rastert mit einer Messspitze das Profil einer Oberfläche ab,wobei immer ein winziger Abstand zwischen der Spitze und Ober-fläche bestehen bleibt. Dadurch wird verhindert, dass währenddes Rasterns etwas beschädigt wird. Das Mikroskop nutzt zurMessung den so genannten Tunneleffekt. Dieser quantenmecha-nische Effekt, der dem Mikroskop seinen Namen gab, ermöglichteinem Elektron (oder auch einem anderen Teilchen), einen Tun-nel durch einen nach klassischer Physik unüberwindbaren Poten-zialberg zu bohren. Infolgedessen fliesst ein Strom, der gemessenwerden kann, selbst wenn sich Messspitze und Oberfläche nichtberühren. Auch Flash-Speicher, etwa in USB-Sticks, beruhen aufdem Tunneleffekt.

Rohrer und Binnig teilten sich 1986 den Physik-Nobelpreis mitdem deutschen Elektroingenieur Ernst Ruska, der bereits in den1930er-Jahren das Elektronenmikroskop entwickelt hatte. Diesesnutzt statt normalem Licht einen Elektronenstrahl und erzielt da-mit eine deutlich bessere Auflösung. Lichtmikroskope erreicheneine Auflösung von rund 200 Nanometern, Elektronenmikroskopederzeit rund 0,1 Nanometer. Wie die Rastertunnelmikroskopesind auch die Elektronenmikroskope inzwischen längst zu unver-zichtbaren Werkzeugen der Nanotechnologie geworden. //

Das Rastertunnel-mikroskop – im Bildein Gerät, dasam Empa-Standortin Thun aufgebaut ist –feiert dieses Jahrseinen 30. Geburtstag.

Fokus: Nanotechnologie und ihre Instrumente // 07

08 // Fokus: Nanotechnologie und ihre Instrumente

ForschungsprogrammgestartetWelche Chancen bieten Nanomaterialien, welche Risikenbergen sie? Das Nationale Forschungsprogramm 64 willbestehende Wissenslücken schliessen und so zu einemnachhaltigen Erfolg von Nanomaterialien beitragen.Die Empa ist an vier von 17 geförderten Projekten beteiligt.

TEXT: Beatrice Huber

Informationstechnologie, Elektronik, Baumaterialien, Umwelttechnik, Energietech-nik, Haushaltsgeräte, Textilien, Kosmetika, Nahrungsmitteln, Medizin – die mögli-chen Einsatzgebiete für Nanomaterialien sind fast grenzenlos. Bereits sind weltweit

mehr als 1000 Produkte auf dem Markt, die Nanomaterialien enthalten. In den Nanowis-senschaften gehören Schweizer Forschungsinstitute, so auch die Empa, zu den weltweitführenden. Nanomaterialien bieten dem Forschungs- und Industriestandort Schweizgrosse Chancen. Der wirtschaftliche Erfolg wird jedoch nur dann nachhaltig sein, wennauch mögliche Risiken zuverlässig beurteilt werden können.

Chancen und Risiken auslotenDie Projekte des vor kurzem gestarteten Nationalen Forschungsprogramms «Chancenund Risiken von Nanomaterialien» (NFP 64) sollen deshalb nicht nur die Chancen aus-loten, die Nanomaterialien für Gesundheit, Umwelt und natürliche Ressourcen bieten,sondern auch mögliche Risiken. In einem NFP bearbeiten Forschende aus verschiedenenDisziplinen Projekte, die zur Lösung wichtiger Gegenwartsprobleme beitragen sollen. DieSchwerpunkte bestimmt der Bundesrat; durchgeführt werden die NFP vom Schweizeri-schen Nationalfonds (SNF).

Das NFP 64 legt den Schwerpunkt auf synthetisch hergestellte Nanomaterialien. Als«Nanomaterial» gilt eine Verbindung, die mindestens in einer Dimension weniger als 100Nanometer gross ist. Dabei sollen vor allem diejenigen untersucht werden, mit denenMensch und Umwelt mit hoher Wahrscheinlichkeit in Berührung kommen. Eines der Zie-le des NFP 64 ist denn auch, Grundlagen für «Werkzeuge» zu schaffen, mit denen sichdie Auswirkungen von Nanomaterialien auf Mensch und Umwelt beurteilen und über-wachen lassen.

Ende November 2010 hat der SNF aus 44 eingereichten Projektskizzen 17 bewilligtund für die ersten drei Jahre mit 6,3 Millionen Franken finanziert. Empa-Forschende lei-ten drei Projekte und sind an einem weiteren beteiligt. //

Ist nano nachhaltig?

Um Herausforderungen wie denKlimawandel oder die Verknap-pung natürlicher Ressourcen zumeistern, sind nachhaltige Lösun-gen gefragt. Nanotechnologienund Nanomaterialien liefern dazuneue Ansätze. Die Schweizeri-sche Akademie für TechnischeWissenschaften SATW hat ge-meinsam mit führenden Schwei-zer Nano-Experten wie Empa-Direktionsmitglied PierangeloGröning eine Broschüre zu Nach-haltigkeit und Nanotechnologieherausgegeben und ruft darin zuröffentlichen Diskussion überChancen und Risiken auf. Denndie Nanotechnologien werdenlangfristig nur Erfolg haben undeinen Beitrag zu einer nachhalti-gen Entwicklung leisten, wennsie keine zu grossen Risiken ber-gen. Die Broschüre kann als PDFheruntergeladen werden unterwww.satw.ch/nano.


Wie Nanotechnologie unsere Zukunft prägt

Um innovative Technologien effizient entwickeln, finanzieren und regulieren zu können, sind sorgfäl-tige Entscheide gefragt, die auf neuesten Erkenntnissen beruhen. Das gilt auch für die Nanotechnologie.Die Swiss NanoConvention 2011 unterstützt Entscheidungsträger hierbei und bietet eine Plattform, umFührungspersönlichkeiten aus Forschung und Industrie, Schlüsselfiguren im Bereich Innovation undTechnologie, Unternehmer, Investorinnen und Vertreter aus Verwaltung und Politik zusammenzubrin-gen, Ideen zu diskutieren und auszutauschen – oder gar neue zu entwickeln. Die Teilneh-merinnen und Teilnehmer erhalten fundierte Informationen über eine der wichtigsten«emerging technologies» des 21. Jahrhunderts und deren Potenzial für innovative An-sätze, Produkte und Dienstleistungen. Parallel zur Swiss NanoConvention lädt dieNanoPubli die breite Öffentlichkeit ein, sich in einer Ausstellung und in Vorträgen überdie Welt des extrem Kleinen aus «erster Hand» zu informieren.

Zentrale Themen der Veranstaltung sind die grossen Herausforderungen unsererZeit wie eine nachhaltige Energieversorgung und eine saubere Umwelt – Stichwort «Cleantech» –, die Zukunft der Medizin mit Nano-Therapeutika und -Diagnostika sowie dieEntwicklung innovativer funktioneller Materialien und deren zahlreiche industrielle Anwendungen.Ein weiterer Schwerpunkt sind mögliche Risiken, in erster Linie von freien Nanopartikeln, und wiedie Gesellschaft damit umgehen kann.

Kurzum: Die Swiss NanoConvention ist DAS Schaufenster für Nanotechnologie in der Schweiz, dasgemeinsam vom «Who‘s who» der Schweizer Nano-Szene veranstaltet wird, und der ideale Ort, umdie Vordenker und Treiber der Nanotechnologie zu treffen und kennen zu lernen.

Weitere Informationen inklusive Programm und Anmeldung unter www.swissnanoconvention.ch

Empa, Juniorpartnerin am neuen IBM-Nanozentrum

Im Mai 2011 wird das neue Zentrum für Nanotechnologie auf dem Gelände des IBM-Forschungsla-bors in Rüschlikon eröffnet, also dort, wo vor 30 Jahren das Rastertunnelmikroskop entwickelt wur-de. Das Zentrum, das rund 90 Millionen Franken kosten und von der IBM und der ETH Zürich ge-meinsam betrieben wird, ist ein weiterer Meilenstein für den Nanotechnologie-Standort Schweiz.Als «Juniorpartnerin» wird auch die Empa dort forschen.

Insgesamt stehen an die 1000 Quadratmeter Reinraum sowie sechs so genannte geräuschfreieLabors zur Verfügung. Diese wurden acht Meter unter der Erde auf einem massiven Fundament ge-baut und sind gegen Ausseneinflüsse komplett abgeschirmt. Das ist nötig, weil im Nanometerbe-reich sehr präzise gearbeitet werden muss und bereits geringe Temperaturschwankungen, Lärm,Vibration oder elektromagnetische Felder stören können.

Bild: IBM


Happy Birthday!30 Jahre nach dem ersten erfolgreichen Experiment sindRastertunnelmikroskope in Industrie und Forschungnicht mehr wegzudenken. Diese und ihre Weiterentwicklungen,die Rasterkraftmikroskope, können nicht nur einzelneAtome abbilden, sondern auch manipulieren. Damit nichtgenug: Kombiniert mit anderen Messmethoden lassensich bald auch «chemische Landkarten» in drei Dimensionenerstellen, die zeigen, wie Materialien Nanometer für Nanometeraufgebaut sind.

TEXT: Martina Peter / BILDER: Empa

In kleineren Dimensionen sind wir«blind». Denn das Auflösungsvermö-gen des menschlichen Auges beträgt

«nur» 0,2 Millimeter. Der Mensch kannalso zwei Punkte lediglich dann separat er-kennen, wenn sie einen Abstand von min-destens 0,2 Millimeter haben. Für alles,was kleiner ist, braucht er optische Hilfen:Lupen und Mikroskope.

Optische Mikroskope sehen rund 1000-mal «besser» als das menschliche Auge, ha-ben also eine Auflösung um die 0,2 Mikro-meter. Weil der Durchmesser einzelner Ato-me jedoch bei 0,2 Nanometer liegt, genügtdas nicht. Was tun, wenn nichts mehr zu se-hen ist und die Orientierung schwierig wird?Ganz einfach: Die Umgebung ertasten. Ge-nau dieses Prinzip machen sich Rastertun-nelmikroskop («Scanning Tunneling Mi-croscope», STM) und Rasterkraftmikroskop(«Atomic Force Microscope», AFM) zu Nut-ze, um Oberflächen in atomarer Auflösungabzubilden.

«Lupen» für die NanoweltIm STM wird eine feine, elektrisch leitendeNadel, deren Spitze aus einem einzelnenAtom besteht, an die zu untersuchende Pro-be (die ebenfalls elektrisch leitend seinmuss) herangeführt. Beträgt der Abstandnur noch einige Atomdurchmesser und wirddann eine Spannung angelegt, fliesst – ohnedass sich Nadel und Probe berühren – einelektrischer Strom, der so genannte Tunnel-

strom. Bei konstantem Tunnelstrom schiebtnun eine hoch präzise Mechanik die Spitzezig-Mal über die Probenoberfläche und ras-tert sie Linie um Linie. Dabei «erfühlt» dieSpitze die Elektronendichte der Probe, diegewöhnlich mit der Position der Atome kor-reliert. Die Auf- und Abbewegung, die siedabei ausführt, um den Tunnelstrom kon-stant zu halten, wird vom Computer aufge-zeichnet und in ein dreidimensionales Ab-bild der Oberfläche umgerechnet.

In den letzten 30 Jahren haben STMund Weiterentwicklungen davon die For-schungsinstitute weltweit erobert. HeutigeGeräte liefern allerdings weit mehr als fas-zinierende Oberflächenbilder, sie könnenAtome und Moleküle manipulieren, etwahin- und herschieben, zu Mustern anord-nen und einiges mehr.

Rastertunnelmikroskope als WerkzeugeAn der Empa nützt beispielsweise der Che-miker Karl-Heinz Ernst das STM, um Mole-küle in Bewegung zu versetzen. Er leitetdie Forschungsgruppe «Molecular SurfaceScience» und hat sich auf Phänomene wiemolekulare Selbstorganisation und Kristal-lisation spezialisiert. Er benützt dazu einUltrahochvakuum-Gerät, das bei Tempera-turen um vier Kelvin, also nahe dem abso-luten Nullpunkt arbeitet: «Mich interes-siert, wie Moleküle auf Oberflächen herum-zappeln, wenn wir sie kitzeln», scherztErnst, der auch Professor an der Universität

Zürich ist. «Wenn wir Moleküle etwa mitTunnelelektronen in Schwingung verset-zen, gehen sie manchmal kaputt, manch-mal nicht. Wir möchten besser verstehen,warum sie mal länger, mal kürzer ‹überle-ben›.» Diese Erkenntnisse sollen helfen,komplexe chemische Prozesse zu erklären,wie sie sich zum Beispiel auf Katalysator-oberflächen abspielen.

Forschung im TandemMoleküle auf Oberflächen haben es auchMarco Bieri und Stephan Blankenburg ausder Abteilung «nanotech@surfaces» ange-tan. Die beiden Physiker pflegen eine ganzspezielle Art der Zusammenarbeit. WährendBieri am Ultrahochvakuum-STM in Thun sei-ne Experimente durchführt, reserviert Blan-kenburg am Computercluster Ipazia in Dü-bendorf Rechnerzeit, um die Experimente zusimulieren. Derweil Bieri die echten Moleküle– Monomere funktionalisiert mit Bromato-men – auf eine Silberoberfläche setzt und inden eiskalten Probenraum im STM einbringt,«präpariert» Blankenburg die Oberfläche vir-tuell und platziert darauf die Moleküle. ImRechner fangen Moleküle auf der Oberflächean, sich nach Gesetzen der Quantenmecha-nik gegenseitig auszurichten; im STM inThun beginnen die «tiefgefrorenen» Molekü-le sich dank dem eingeleiteten Heizprozesslangsam zu erwärmen, werden aktiv und ge-hen ebenfalls zaghaft die ersten (echten) che-mischen Bindungen miteinander ein.


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H Dank grossem Know-howund viel Erfahrung istdie Empa in der Lage, aufhöchstem Niveau neueGeräte und Messmethodenzu entwickeln.

Diese chemischen Reaktionen sind amSTM ausserordentlich schwierig zu beob-achten, da sie sich blitzschnell abspielen.Es braucht viel Erfahrung und Geduld, umsich auf der Oberfläche zu orientieren undzu erkennen, wie sich Muster und supra-molekulare Systeme bilden. Da die STM-Spitze nicht gleichbleibend optimal scharfist und manchmal ungewollt Moleküle vonder Oberfläche «aufpickt», entsprechen dieAbbildungen nicht immer den realen Ver-hältnissen auf der Probe. Eine von BierisHauptaufgaben ist es, STM-Bilder mit allzueintönigen Symmetrien ohne Unregelmäs-sigkeiten als unechte Ergebnisse zu entlar-ven, so genannte Artefakte, die durch dieMessmethode zustande kommen.

Über Skype-Videokonferenz erhältMarco Bieri Unterstützung vom Kollegenam Hochleistungsrechner. Blankenburgteilt ihm mit, was er gemäss Simulation se-hen sollte. Im Gegenzug berichtet Bierivon unerwarteten Phänomenen, die Blan-kenburg wiederum in seinen Computereinspeist. Beispielsweise die höchst origi-nelle Art und Weise, wie sich in der Naturwährend der Polymerisation eine Molekül-kette in sich selbst verdreht.

Beide Wissenschaftler sind sich einig:Gemeinsam gelingt es viel schneller, experi-mentelle Daten zu interpretieren – und dabeierst noch neue Erkenntnisse beispielsweiseüber Reaktionsmechanismen komplexerchemischer Prozesse zu generieren. Seit

neue Geräte und Messmethoden zu entwi-ckeln. «Nur so können wir an der Spitzemithalten und auch künftige Ansprücheder Anwender erfüllen und deren Fragenkompetent beantworten», ist er überzeugt.

Neue Instrumente entwickelnDafür müssen Grenzen überschritten wer-den: «AFM und STM sind ja eigentlich keineInstrumente für die chemische Analyse»,stellt Hug fest. «Wenn wir nicht bekannteAtome oder Moleküle auf eine wohldefinier-te Oberfläche aufbringen, sagen uns AFMund STM nicht von sich aus, was sie dort ‹se-hen›.» Im Projekt «NanoXAS» möchtenEmpa-Forschende deshalb gemeinsam mitKollegen vom Paul Scherrer Institut diesenMangel beheben. Dazu kombinieren siezwei Messmethoden miteinander: Die Rönt-genabsorptionsanalyse zeigt, welche chemi-schen Elemente im untersuchten Bereichvorhanden sind, und das AFM bestimmt dieTopografie und andere lokale Eigenschaftender Probe. Dadurch entstehen beinahe na-nometergenaue «chemische Landkarten»eines Materials. Und mit diesen hoffen dieForschenden, einst Materialien für künftigeAnwendungen gezielt verbessernzu können, etwa leistungsfähigereDigitalkameras mit einem deut-lich grösseren Datenspeicher alsheute üblich.

Hug schweben noch zahlrei-che weitere Ideen vor, und wenn erdavon erzählt, blitzt Pioniergeistauf: «Wir haben gelernt, mit STMund AFM abzubilden und auf ato-marer Ebene zu manipulieren.Doch nun sollten wir damit auch inGebiete vorstossen, die wir bis an-hin nicht untersuchen konnten»,meint er. «In der Nanowelt ‹fassen›wir zum Beispiel Dinge an, ohne zuspüren, wie stark wir mit unseren‹Nanohänden› zupacken. Das müs-sen wir überwinden.»

Deshalb hat sein nächstes EU-Projekt aus dem 7. Forschungsrah-menprogramm namens MDSPM(«Multidimensional Scanning ProbeMicroscopy») das Ziel, ein AFM zuentwickeln, das simultan vertikale(senkrechte) und laterale (seitliche)Kräfte in schier unvorstellbarer Fein-heit messen kann. Es erkennt Diffe-renzen im Bereich um ein MillionstelNano-Newton. Damit könne sichwomöglich unser Verständnis da-von, wie chemische Reaktionen ab-laufen oder wie Energie durch Rei-bung «verloren» geht, radikal än-dern, mutmasst Hug. //

Photodiode Laser

ProbeFederbalken mit Spitze

Detektor undSteuerelektronik


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rund einem Jahr nutzt das Team dieses Tan-demverfahren, die Kombination von Experi-ment und Rechenpower. Und das mit gros-sem Erfolg: So beruht unter anderem ein vielzitierter Artikel, der diesen Sommer in der re-nommierten Wissenschaftszeitschrift «Na-ture» zum Thema Graphen-Nanobänder ver-öffentlicht wurde, auf dieser neuen Methode.(siehe EmpaNews 31)

25 Jahre RasterkraftmikroskopAuch bei einer der wichtigsten Weiterent-wicklungen des STM, dem Rasterkraftmi-kroskop (AFM), spielt eine Spitze mit we-nigen Nanometern Durchmesser dieHauptrolle. Während das STM den Tunnel-strom misst, zeichnet das AFM die Kraftauf, die wirkt, wenn die an einem Feder-balken angebrachte Spitze über «Berge undTäler» der Probenoberfläche gleitet. Jenachdem, wie die Spitze geformt ist und inwelchem Zustand sie sich befindet, könnendamit verschiedene physikalische Eigen-schaften der Probe untersucht werden.

Hans Josef Hug, Leiter der Abteilung «Na-noscale Materials Science» und Physikprofes-sor an der Universität Basel, zählt einen gan-zen «Zoo» von Kräften auf, die mit dem AFMerfasst werden können: von elektrostatischenund magnetischen über Van-der-Waals- undCasimir-Kräfte bis zu durch kovalente undionische Bindungen erzeugte Kräfte. «DasPrinzip des AFM bringt uns auf vielen Gebie-ten weiter: Reibungskräfte erschliessen unsdie Tribologie, magnetische Kräfte helfenuns, das Speichern elektronischer Daten zuoptimieren, Informationen zur lokalen Härteoder lokalen Adhäsion vermitteln wichtigeAufschlüsse zu den mikro-mechanischen Ei-genschaften von Materialien», so Hug. «Ander Empa gibt es kaum eine Kraft, die wirnicht aufzeichnen können», fügt er augen-zwinkernd an.

User Lab an der EmpaQuer durch die Empa arbeiten zahlreicheAFM- und STM-Fachleute, die ihr Wissennicht nur den Kollegen und Kolleginnen «inhouse» zur Verfügung stellen. Die Türendes «Swiss Scanning Microscopy UserLab», kurz «SUL», stehen auch externenKunden und Partnern offen. Mit einemganzen Park von AFMs können sie Topo-grafien untersuchen und lokale Reibungmessen sowie etwa Kontaktpotenziale undlokale mechanische Eigenschaften ihrerMaterialien ergründen. Ob in Eigenregieoder begleitet – für jeden gibt es eine mass-geschneiderte Lösung.

«Genährt wird dieses Fachwissen durchunsere Forschung», betont Hug. Die Empasei wie geschaffen, auf höchstem Niveau

1Brom-Polymer-Verbindungenauf einer Silberoberfläche.Experiment im Rastertunnel-mikroskop und Simulation.

2Die Grafik zeigt die Funktions-weise eines Rasterkraftmikro-skops (AFM): Ein Federbalken(siehe Aufnahme oben) rastertdie Oberfläche.

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Instrumente wie Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskopund Rasterkraftmikroskop haben den Blick in die Welt des Klei-nen geöffnet und so der Forschung und der Industrie überhaupt

erst ermöglicht, gezielt nanometerfeine Strukturen zu bauen. Dochdiese Instrumente können mehr. So kann das Elektronenmikro-skop auch für Chemie eingesetzt werden. Dabei werden zu einerProbe, die sich bereits in der Vakuumkammer des Mikroskops be-findet, zusätzlich geeignete Gasmoleküle injiziert. Diese lagernsich reversibel auf der Probe ab. Der fokussierte Elektronenstrahl,

Chemie mit ElektronenstrahlenFokussierte Elektronenstrahlen werden in Elektronenmikroskopen eingesetzt,um winzig kleine Objekte sichtbar zu machen. Dies sind heute Routineunter-suchungen. Neueren Datums ist allerdings, Elektronenstrahlen für chemischeReaktionen zu nutzen. So können nanometerfeine Oberflächenstrukturen«geschrieben» werden. Empa-Forschende perfektionieren diese Technologieund suchen nach immer neuen Einsatzgebieten.

TEXT: Beatrice Huber / BILDER: Empa

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Die Elektronenmikroskopaufnahme zeigt einen so genannten Hall-Sensor, auf dem eine para-magnetische Kugel (violett) platziert wurde. In einem Laborchip kann die Kugel mit einerDNA-Helix über dem Sensor befestigt werden, wobei an der DNA ein Restriktionsenzym angeheftetist, das sensibel auf toxische Moleküle «anspringt». Im Operationsmodus «zieht» ein kleinesmagnetisches Feld die paramagnetische Kugel nach oben, bis die DNA gestreckt ist. Bindet nunein toxisches Molekül an das Restriktionsenzym, wird die DNA «verknäuelt» – ähnlich einemTelefondraht – und die Kugel wieder näher an den Sensor gezogen. Der Sensor detektiert dieentsprechende Änderung des magnetischen Feldes und löst ein Alarmsignal aus. Der abgebildeteSensor wurde mit FEBIP «geschrieben» und anschliessend noch mit einem FIB «getrimmt».(siehe auch www.bionano-switch.info)


der sonst dazu dient, die Objekte sichtbar zu machen, katalysiertnun chemische Reaktionen der Gasmoleküle und zwar nur dort,wo er auftrifft. Die entstehenden nichtflüchtigen Fragmente blei-ben dann dauerhaft auf der Probe. Der Elektronenstrahl bewegtsich nach einem programmierten Muster und «schreibt» so einedreidimensionale Oberflächenstruktur.

Klein, minimal-invasiv, direktDiese Verfahren heissen in der Fachsprache FEBIP, was für «Fo-cused Electron Beam Induced Processes» steht, also Prozesse, diedurch einen fokussierten Elektronenstrahl induziert werden. DasTeam um den Empa-Forscher Ivo Utke hat sich auf FEBIP spezia-lisiert und nutzt diese als extrem flexible Fabrikationsmethodenfür das Prototyping von Nanobauteilen, um konkrete Fragen undProbleme aus der angewandten Nanoelektronik, Nanophotoniksowie Nanobiologie zu lösen. Die Gruppe arbeitet ständig daran,FEBIP zu verfeinern und neue Einsatzgebiete zu erschliessen. «MitHilfe des fein positionierbaren Elektronenstrahls lassen sich Ober-flächenstrukturen nanometergenau und in nahezu beliebigendreidimensionalen Formen entfernen und auftragen», sagt Utke.«Dass sie minimal-invasiv sind, macht FEBIP besonders attraktiv.»

FEBIP weisen noch weitere entscheidende Vorteile auf: So las-sen sich die Strukturen in einem einstufigen Prozess platzieren,formen und herstellen. Das ist bei anderen Verfahren nicht derFall: Oft sind dort mindestens drei Stufen nötig. Zuerst wird eine«Schablone» auf der Probe platziert, dann das Material für dieStruktur aufgetragen. Und am Schluss muss die Schablone wiederentfernt werden.

Nanostrukturen stabilisieren Laser«Vertical Cavity Surface Emitting Laser», kurz VCSELs, sind Halblei-terlaser, die häufig in der Datenübertragung eingesetzt werden, bei-spielsweise für Kurzstreckenverbindungen wie Gigabit-Ethernet.Diese Laser wären bei Telekomfirmen beliebt, weil sie wenig Energieverbrauchen sowie einfach und in Stückzahlen von mehreren tau-send auf einem einzelnen Wafer produziert werden können.

Langwellige VCSELs, das heisst VCSELs, die im Wellenlän-genbereich über 1300 Nanometern arbeiten, können jedoch eineSchwäche aufweisen. Aufgrund der zylindrischen Struktur, in derdie Laser auf dem Wafer aufgebaut werden, kann die Polarisationdes ausgesendeten Lichts während des Betriebs ändern. Polarisa-tion ist eine Eigenschaft gewisser Wellen, so auch der Lichtwelle,und beschreibt die Richtung ihrer Schwingungen. Eine stabile Po-larisation wäre nötig, um VCSELs in optische Systeme wie Licht-wellenleiter einzubauen. Empa-Forschende konnten zusammenmit Wissenschaftlern des Laboratory of Physics of Nanostructuresan der EPFL und deren Spin-off BeamExpress Abhilfe schaffen.«Wir haben mit dem Elektronenstrahl flache Gitterstrukturen aufdie VCSELs geschrieben», beschreibt Utke ihre Lösung. «Die Gitterkonnten die Polarisation effektiv stabilisieren.»

Suche nach der perfekten ZusammensetzungGenauso wichtig wie konkrete Anwendungen ist für die Wissen-schaftler um Ivo Utke, FEBIP zu verfeinern und weiterzuentwi-ckeln. Zentral dabei ist, die physikalisch-chemischen Prozesse inder Vakuumkammer zu verstehen und damit für die gezielte Ma-terialsynthese kontrollieren zu können.

Dies gelang etwa im Falle eines so genannten Hall-Sensors,der weniger als ein Mikrometer gross ist. Diese Sensoren – be-nannt nach dem US-amerikanischen Physiker Edwin Hall – dienenvor allem dazu, Magnetfelder von kleinen (para)magnetischenKugeln zu messen. Diese Kugeln werden zum Beispiel mit geeig-neten biologischen Substanzen funktionalisiert, um mit anderenBiomolekülen, zum Beispiel Antikörpern, reagieren zu können.Dieses Konzept wird weltweit momentan vor allem für die Diag-nostik von Krankheiten erforscht. Dazu soll ein gesamtes medizi-nisches Labor auf einen ungefähr fingergrossen Chip – den so ge-nannten Lab-on-Chip – integriert werden. Das Forschungsteam,an dem auch das Zentrum für Elektronenmikroskopie der Empabeteiligt war, untersuchte, wie die Leistung eines Hall-Sensors än-dert, wenn die aufgebrachten Oberflächenstrukturen aus Kobaltund Kohlenstoff in unterschiedlichen Verhältnissen bestehen.Dazu wurde in der Vakuumkammer ein Gasinjektionssystem mitzwei Gasen verwendet – eines für Kobalt, eines für Kohlenstoff.Ziel war natürlich, das beste Verhältnis zu finden. Dieses lag beieinem Kobalt-Anteil von rund 65 Prozent. Fast noch bedeutenderjedoch war die Erkenntnis, wie sich das Verhältnis kontrollierenlässt. Dies gelang, indem ein gepulster Elektronenstrahl eingesetztwurde. Dabei zeigte sich, dass das Verhältnis durch die Pulsdauerbestimmt wird. Die Kontrolle wird also durch einen einfachenphysikalischen Parameter erreicht, nämlich die Zeit.

Verschiedene Verfahren geschickt kombinierenDie Empa-Forschenden versuchen auch, verschiedene Methodenin der Vakuumkammer zu kombinieren. Dies hat den Vorteil, dassdie Proben nicht mehrmals in die Vakuumkammer eingeführt be-ziehungsweise herausgeholt werden müssen, beides zeitraubendeVorgänge.

Nanodrähte aus Halbleitermaterialien wie Silizium sollen in derNanoelektronik, der weiteren Verkleinerung der Mikroelektronik,genutzt werden, um winzige elektronische Komponenten zu eben-falls winzigen Schaltkreisen zu verknüpfen. Es ist allerdings alles an-dere als trivial, einzelne Nanodrähte an definierten Stellen auf vor-strukturierten Substraten herzustellen. Bislang entstanden häufigKnäuel, aus denen einzelne Drähte dann herausgepickt werdenmüssen. Das Empa-Team hat nun zusammen mit Forschenden desMax-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik, des Instituts für pho-tonische Technologien und des Max-Planck-Instituts für die Physikdes Lichts drei Methoden kombiniert: Fokussierter Ionenstrahl(FIB), Fokussierter Elektronenstrahl (FEBIP) sowie Vapor Liquid So-lid (VLS, zu Deutsch dampfförmig flüssig fest).

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Vakuum-kammer

FokussierterElektronenstrahl

Gas-injektions-system

Probe1 2


Mit fokussierten Ionenstrahlen lassen sich ähnlich wie mit fo-kussierten Elektronenstrahlen Objekte nicht nur sichtbar machen,sondern auch Strukturen auf einer Oberfläche bilden. Da dieschweren Ionen direkt Atome aus der Oberfläche schlagen kön-nen, sind für diesen Abtrageprozess – im Unterschied zu FEBIP –keine zusätzlichen Gasmoleküle nötig. VLS ist eine gebräuchlicheSynthesemethode für Nanodrähte. Dabei wird das Ausgangsmate-rial der Drähte gasförmig zugegeben und scheidet an einem klei-nen Katalysator ab, meist einem «Tropfen» aus flüssigem Metall,beispielsweise Gold. Dort kristallisiert das Material und der Drahtbeginnt zu wachsen.

Die Wissenschaftler haben zunächst mit einem fokussiertenIonenstrahl an geeigneter Stelle ein Loch «gebohrt». In dieses«pflanzte» dann ein fokussierter Elektronenstrahl eine winzigeGoldmenge, die als VLS-Katalysator diente. Im dritten Schritt wur-de Silan, eine gasförmige Siliziumverbindung, zugeführt und ein-zelne Nanodrähte, bestehend aus reinem kristallinem Silizium,begannen aus den Löchern herauszuwachsen. Der letzte Schrittfand für diese Versuche in einer anderen Wachstumskammerstatt, könnte aber – mit Hilfe von heizbaren Probentischen – imPrinzip auch in das Elektronenmikroskop integriert werden.

Chemie mit Elektronenstrahlen hat ein grosses Potenzial. Daist sich Ivo Utke sicher. «FEBIP könnten schon bald zu einer ech-ten Nanofabrikationsplattform werden, um minimal-invasiv unddirekt Nano-strukturen herzustellen, ohne dass die durchaus gros-sen Investitionen eines Reinraums nötig wären.» //

Literaturhinweis«Klein, minimal-invasiv, direkt: Elektronen induzieren lokale Reaktionen adsorbierterfunktioneller Moleküle auf der Nanometerskala», Ivo Utke und Armin Gölzhäuser,Angewandte Chemie 122 (49) 9516 (3pp)2010, DOI: 10.1002/ange.201002677«Tunable Nanosynthesis of Composite Materials by Electron-Impact Reaction», L. Bernau,M. Gabureac, R. Erni, I. Utke, Angewandte Chemie International Edition 49(47), (2010) 8880(5pp), DOI: 10.1002/anie.201004220«Granular Co-C nano-Hall sensors by focused-beam-induced deposition», M. Gabureac,L. Bernau, I. Utke, G. Boero, Nanotechnology 21 (2010) 115503 (5pp),DOI: 10.1088/0957-4484/21/11/115503«Minimally-invasive catalyst templating on pre-structured surfaces for local VLS-growth ofindividual silicon nanowires», M. G. Jenke, D. Lerose, J. Michler, S. Christiansen,I. Utke, submitted to Nanoletters, 2011.«High speed telecommunication laser polarisation stabilisation by minimally-invasive focusedelectron beam triggered chemistry», I. Utke, M. Jenke, C. Roeling, P. H. Thiesen V. Iakovlev,A. Syrbu, A. Mereuta, A. Caliman, E. Kapon, Nanoscale, DOI:10.1039/C1NR10047E, 2011.

Buchhinweis«Nanofabrication using focused ion and electron beams: principles and applications», EditorsI. Utke, S. Moshkalev, P. Russels, Oxford Series on Nanomanufacturing. N.Y., Oxford UniversityPress (2011 forthcoming). ISBN 9780199734214

1,2Prinzip des lokalen Abscheidungsprozesses, der durch einenfokussierten Elektronenstrahl induziert wird (kurz FEBIP):Gasmoleküle aus einem Gasinjektionssystem lagern sich reversibelauf der Oberfläche einer Probe ab. Der fokussierte Elektronen-strahl induziert chemische Reaktionen der Gasmoleküle.Die entstehenden nichtflüchtigen Verbindungen lagern sich danndauerhaft auf der Probe ab. So entsteht eine Nanostruktur –zum Beispiel der Schriftzug Empa –, die durch die Bewegungendes Elektronenstrahls geschrieben wird.

3Elektronenmikroskopaufnahme eines «Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser», kurz VCSEL, auf den mit einem FEBIP einPolarisationsgitter «geschrieben» wurde. VCSELs sind Halbleiterlaser,die häufig in der optischen Datenübertragung eingesetzt werden.

4Auf einem Federbalken, der in Rasterkraftmikroskopen zum Einsatzkommt, wächst ein einzelner Nanodraht. Dafür wurden dreiMethoden kombiniert: Zuerst «bohrt» ein fokussierter Ionenstrahlein Loch, dann wird mit FEBIP eine winzige Menge Katalysatorim gebohrten Loch platziert, woraus mit Hilfe der so genanntenVLS-Methode (Vapor Liquid Solid, zu Deutsch dampfförmig flüssigfest) ein Nanodraht herauswächst.

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10µm

500nm

16 // Wissens- und Technologietransfer

«Weiche» Schale, «harter» Kern – einmal umgekehrt. Neuartige Fasern ermöglichen einenKunstrasen, der selbst höchsten Fussballansprüchen gerecht wird. Empa-Forschendehaben zusammen mit dem Schweizer Kunstrasenhersteller TISCA TIARA eineBikomponentenfaser entwickelt, die sich dank ihrem harten Kern immer wieder aufrichtet undaufgrund ihrer weichen Hülle Hautschürfungen und Verbrennungen bei Stürzen vermeidet.

TEXT: Nadja Kröner / BILDER: Empa, TISCA TIARA

Draussen ist es kalt und nass oder es hat ge-schneit. Nicht gerade die Jahreszeit zum Fuss-ballspielen. Oder doch? Dank Kunstrasensys-

temen ist das Spielen bereits seit Jahrzehnten auch imWinter möglich. Das künstliche Grün ist robust undallwettertauglich. Dennoch mag sich der eine oder dieandere noch an manch schmerzhafte Verletzung erin-nern, die er/sie sich auf Kunstrasen zuzog. Dessenerste Generation war aus Polyamidfasern hergestellt,einer Polymerfaser mit hervorragender Erholungsfä-higkeit, die immer schön aufrecht steht. Doch genaudiese widerstandsfähigen Fasern führten bei Stürzenhäufig zu Verbrennungen und Schürfungen.

Daher bestanden Fasern der zweiten Generationaus Polyethylen, das sich deutlich hautfreundlicherverhielt. Doch auch diese Fasern zeigten in der Praxiseinen beträchtlichen Mangel: Das Rückstellvermögenwar sehr schlecht. Im Laufe der Zeit führte die Belas-tung der Fasern zu einem regelrecht platten Spielfeld.Das war nicht nur optisch unschön, die «umgeknick-ten» Kunsthalme veränderten auch die Bespielbarkeitdes Rasens. Daraufhin wurde versucht, die Halme mitSand oder Granulat zu stützen. Heutzutage sind Rasenmit Granulatfüllung weit verbreitet.

Moderne Kunstrasen wie «SPORTISCA» der FirmaTISCA TIARA, einem Produzenten textiler Bodenbelä-ge, bestehen mittlerweile aus drei Faserschichten underreichen so ein relativ hohes Rückstellvermögen.Weil die fehlende Formstabilität der Polyethylenfasernbereits in der Produktion Probleme bereitete, gelangtedie Appenzeller Firma an die Empa, um nach Lösun-gen zu suchen. «Die Anforderungen an einen Kunstra-sen sind sehr vielfältig», so Andreas Tischhauser,

Marketingverantwortlicher von TISCA TIARA. «Sowollen zum Beispiel Fussballer einen besonders wei-chen Rasen und Bauherren einen sehr langlebigen.Und selbstverständlich muss er auch noch den ökolo-gischen Ansprüchen genügen.»

Entwicklung mit vielen HerausforderungenSchnell wurde klar, dass eine komplett neue Faser ent-wickelt werden musste. Diese sollte sowohl ein gutesRückstellvermögen als auch ein optimales Gleitrei-bungsverhalten aufweisen. Zwei Eigenschaften, zweiKomponenten, dachte sich Rudolf Hufenus von derAbteilung «Advanced Fibers». Im Innern sollte die Fa-ser demnach einen harten Polyamidkern enthalten,umgeben von einer reibungsarmen Hülle aus Poly-ethylen. Mit Unterstützung des Modellierungs-Experten ChristianAffolter von der Abteilung «Mechanical Systems Engi-neering» wurden verschiedene Querschnitte model-liert, die die gewünschten Anforderungen optimal er-füllen.

Doch die Entwicklung der neuen Faser war keineleichte Aufgabe, wie sich im Rahmen eines von derFörderagentur für Innovation KTI finanzierten Projek-tes bald herausstellte. «Zur Halbzeit lagen wir deutlichhinter unserem Projektplan zurück», so Hufenus. DasProblem: Die Modellierung all der verschiedenenQuerschnitte war deutlich komplexer als angenom-men und nahm mehr Zeit in Anspruch als gedacht.Eingabeparameter für die Modellierung waren Quer-schnittsgeometrie der Faser und Materialeigenschaf-ten der beiden Polymere, die mit mechanischen Prü-fungen ermittelt wurden. Auch die Beanspruchung

Kunstrasen mit Stehauf-Qualität

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der Faser, also wie sie gebeugt werden sollte, war Teilder Modellierung. Aus diesen Daten resultierte letzt-lich die Simulation des Spannungs- und Dehnungsver-halten der Faser.

Eine weitere Herausforderung war zudem, dass fürdie Pilot-Spinnanlage der Empa zusammen mit dem «In-stitute for rapid product development» (irpd) der ETHZürich ein neuer Spinnkopf entwickelt werden muss-te. Das Spezielle an diesem Spinnkopf war, dass diebeiden Polymere mit verschiedenen Temperaturenprozessiert werden konnten. Grund für den Bau bilde-te die Annahme, dass die zwei verwendeten Polymerebei unterschiedlichen Temperaturen extrudiert wer-den müssten. Im Laufe des Projektes stellte sich aberheraus, dass dies nicht notwendig ist.

Auch die industrielle Produktion der Faser erwiessich als Herausforderung, da es dafür ganz bestimmte,auf Kunstrasenfasern spezialisierte Spinnanlagenbraucht. Diese sind in der Regel keine Bikomponen-tenanlagen. «Nach sehr intensiver Überzeugungsar-beit hat sich dann der hinzugezogene Faserherstelleraus Deutschland bereit erklärt, seine Spinnanlage ent-sprechend umzubauen», so Hufenus. Von der Planungbis zum Bau verging gut ein Jahr.

Mit «Trial and Error» zur optimalen FaserSelbst bei Projektabschluss, als die fertige Faser schonvorlag, ergab sich noch eine Schwierigkeit: Die Fasernbestanden den so genannten Lisport-Test nicht, mitdem die Verschleissfestigkeit geprüft wird. Hülle undKern der Bikomponentenfasern lösten sich unter Be-lastung mit der Zeit voneinander. TISCA TIARA hatdann mit beratender Unterstützung von Hufenus die

Faser weiter optimiert. «Wir gingen nach dem Trial-and-Error-Prinzip vor, indem wir einfach solange aus-probierten, bis wir den bestmöglichen Querschnitt ge-funden hatten», so Tischhauser.

Doch schliesslich war es soweit; mit viel Geduldwar es gelungen, einen optimalen Querschnitt zu schaf-fen: Statt nur eines dicken Kerns hat die Faser nun fünfdünne Kerne. Die Stehauf-Qualität der Fasern ist überJahre gewährleistet, wie ein erneuter Lisport-Test zei-gen konnte. «Wir sind die Ersten, die ein solches Projektvon der Faserentwicklung bis zum fertig verlegten Ra-sen durchgezogen haben», erklärt Hufenus stolz. AuchTischhauser freut sich: «Wir konnten es fast nicht glau-ben, dass es auf einmal gelungen war.»

Der Rasen, der seinem Vorbild Naturrasen optischsehr nahe kommt, wurde bereits auf zwei Fussballfel-dern verlegt, in Ecublens bei Lausanne und in Bür-glen, Kanton Thurgau – und das zur vollsten Zufrie-denheit der Spieler und Spielerinnen. «Damit sind diegrundlegenden Anforderungen unseres Industriepart-ners TISCA TIARA an eine neue Kunstrasenfaser er-füllt», sagt Hufenus.

Eine FIFA-Zertifizierung ist jedoch kein Thema,denn die zurzeit gültigen Normen hinken der Entwick-lung hinterher und geben faktisch nur Kunstrasen mitGranulatfüllung eine Chance. Am Markt dürfte sichder neue Kunstrasen aufgrund seiner deutlich besse-ren Eigenschaften trotzdem durchsetzen, da die meis-ten Fussballplätze keine FIFA-Zertifizierung benöti-gen. Zudem ist es für die Mannschaften wichtiger,dass sie auch bei grauem und nassem Wetter oder beiSchnee spielen und vor allem trainieren können alsauf einem zertifizierten Rasen. //

1Hautverletzung einesFussballspielers,verursacht durch starrePolyamidfasern.

2Kunstrasen aus Poly-ethylen: AndauerndeBelastung hinterlässtumgeknickte Fasern –neben beeinträchtigterBespielbarkeit auchein optisches Ärgernis.

3Die Rasenbahnenwerden mit PU-Leim aufeinem Klebstoffträgerverbunden, sodass dasganze Feld schwimmendverlegt werden kann.

4Diese Fasern sind durchihren Polyamidkernstabil und aufgrundihrer Polyethylenhüllehautfreundlich.

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Wissens- und Technologietransfer // 17

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18 // Wissens- und Technologietransfer

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Kleidung muss heutzutage einiges können, sei es Feuchtigkeit für einenbesseren Tragkomfort durchlassen oder im Gegenteil zum Schutz vorRegen wasserdicht sein. Um Textilien mit den gewünschten Eigenschaftenauszustatten, sucht die Industrie nach immer neuen Verfahren.Beispielsweise die Plasmatechnologie. Die Empa hat zusammen mitIndustriepartnern diese Technologie nun industriell für den Textilsektoranwendbar gemacht. Erste Produkte sind bereits in Entwicklung.

TEXT: Beatrice Huber

Auf Industrie getrimmt

Textilien aus synthetischen Materialien haben den Nachteil,dass sie in der Regel nur mässig benetzbar sind und deshalbnoch «veredelt» werden müssen. Je nach gewünschter Endan-

wendung geht es darum, die Textilien entweder wasserdurchlässiger– hydrophiler – oder wasserabweisender – hydrophober – zu machen.Hydrophilierung erhöht den Tragkomfort von Textilien, da dadurchder Schweiss besser durch die Bekleidung gelangen kann. WerdenTextilien bedruckt, müssen sie vorgängig hydrophiliert werden; an-sonsten hält die Farbe nicht. Hydrophobiert wird Bekleidung, die ge-gen Wasser, beispielsweise Regen, schützen soll.

Seit Jahrzehnten sucht die Textilindustrie nach besseren Verfah-ren, Gewebe entweder hydrophiler oder hydrophober zu machen.Denn den bislang gängigen nasschemischen Methoden mangelt esbeispielsweise an Wasch- und Tragebeständigkeit. Zudem verändernsie die textilen Eigenschaften, vor allem den Griff. Und zu guter Letztverbrauchen sie auch noch sehr viel Energie und Wasser.

Plasma: Aus der Mikroelektronik für TextilienAls Alternative bietet sich die Plasmatechnologie an, die beispielswei-se in der Mikroelektronik seit langem zum Beschichten von Waferneingesetzt wird. Ihr Vorteil: Sie ist trocken und umweltfreundlich. Nie-derdruck-Plasmaverfahren galten bislang jedoch als zu teuer für Tex-tilien. Dies könnte sich nun ändern. Die Empa-Abteilung «AdvancedFibers», die seit einiger Zeit an dieser Technologie forscht und eine Pi-lotanlage betreibt, hat sich in einem von der Förderagentur für Inno-vation KTI finanzierten Projekt mit sechs Textilfirmen sowie demNano-Cluster Bodensee (NCB, siehe Kasten) zusammengeschlossen,um Eignung, aber auch Wirtschaftlichkeit der Plasmatechnologie fürdie Textilbranche genauer abzuklären. «In der Branche bestand schonlange Interesse an der Plasmatechnologie. So wurde auch in einer Fo-kusgruppe des Nano-Cluster Bodensee intensiv darüber diskutiert.Aus diesen Gesprächen entstand dann das Projekt», sagt SébastienGuimond, Projektleiter für die Empa.

Für die Plasmatechnologie dienen Gase als Ausgangsstoffe. Siewerden in einer Vakuumkammer durch Anlegen einer Spannung zu-nächst zu einem Plasma angeregt. Diese aktivierten Moleküle lagernsich dann auf einem Substrat – etwa Textil – in einer nur wenigeNanometer dünnen Schicht ab. Dies hat den Vorteil, dass textileEigenschaften wie Griff nicht beeinträchtigt sind.

Mehrere Stufen der Wertschöpfungskette abgedecktDie Projektpartner decken zusammen mehrere Stufen der textilenWertschöpfungskette ab: Die Pilotanlage der Empa ergänzte sich –schon fast ideal – mit der industriellen Plasmaanlage der österrei-chischen Textilveredelungs GmbH Grabher Günter, die darauf Texti-lien für die beteiligten Schweizer Firmen Christian Eschler AG, AG Cilander, Sefar AG, Bezema AG und Bischoff Textil AG veredelte. DerNCB übernahm das Management des Projekts und erarbeitete ein Kos-tenmodell.

Die gesetzten Ziele wurden alle erreicht und somit das Projekt zueinem vollen Erfolg. Sämtliche Plasma-Beschichtungen, die dasEmpa-Team mit Sébastien Guimond, Barbara Hanselmann und DirkHegemann neu entwickelt hat, führten dazu, dass die Hydrophilie-rung der Textilien sich deutlich langlebiger und waschfester erwiesals bei den bisherigen Methoden, wie Langzeit-Labortests ergaben.Bereits wurden zwei Beschichtungsverfahren erfolgreich von der Pi-lotanlage der Empa auf die Industrieanlage von Grabher transferiertund eine weitere Beschichtung dort optimiert.

Robuste Verfahren für die Industrie entwickeltProzesse, die sich in der Industrie bewähren sollen, müssen robustsein, das heisst ohne grosse Störungen Tag und Nacht laufen. Daranist schon so manche Idee aus dem Labor gescheitert. Eines der Pro-jektziele war daher explizit, dass die Prozesse auch in der oft rauenIndustrieumgebung bestehen. Das Resultat kann sich sehen lassen:Die eingesetzten Materialien liessen sich auf beiden Anlagen, also aufder Pilotanlage und der Industrieanlage, zuverlässig und reproduzier-bar verarbeiten. Und auch bei den Kosten konnte das Niederdruck-Plasmaverfahren mit konventionellen Verfahren mithalten.

Neben der «einfachen» Überführung der Plasmatechnologie inden Textilbereich sollte das Projekt aber auch das Wissen über dieseneue Technologie in der Branche vertiefen helfen. Die Empa-Fachleu-te untersuchten daher systematisch Plasmabehandlungen mit ver-schiedenen Gasmischungen, textilen Materialien und Oberflächen-strukturen. «Damit können wir nun erstmals klare Aussagen bezüg-lich Wirksamkeit verschiedener Plasmaverfahren machen und diePlasmaparameter entsprechend einstellen», so Guimond. Das Projektführte zu Resultaten, die die Beteiligten begeisterten. Bereits lassenzwei der beteiligten Firmen nun Textilien mit Plasmatechnologie ver-edeln und wollen in den nächsten Jahren entsprechende Produkte aufden Markt bringen. Auch die Förderagentur KTI betrachtet das Projektals Erfolgsstory. //

Wissens- und Technologietransfer // 19

Nano-Cluster Bodensee NCB

Der Nano-Cluster Bodensee ist ein branchenübergreifendesNetzwerk mit mehr als 80 Unternehmen sowie Forschungs-und Entwicklungseinrichtungen in der Euregio Bodensee, dieMikro- und Nanotechnologie für Produkte und Prozesse einset-zen und weiterentwickeln. Als Partner beteiligen sich auch dasStaatssekretariat für Wirtschaft SECO und die Kantone St. Gal-len, Appenzell Ausserrhoden, Thurgau, Schaffhausen, Grau-bünden und Zürich. Die Empa ist ebenfalls Mitglied und stelltmit ihrem Direktionsmitglied Xaver Edelmann den Präsidenten.www.ncb.ch

1Textilien sollen unterschiedlicheAufgabe erfüllen. Dazu zählt etwader Schutz vor Nässe. (Bild: iStock)

2Synthetische Textilien sind in derRegel mässig benetzbar, wie in derMitte dargestellt. Daher müssensie häufig entweder hydrophiliert(links) oder hydrophobiert (rechts)werden. (Bild: Empa)

3Die Empa-Abteilung «AdvancedFibers» hat zusammen mit sechsTextilfirmen sowie dem Nano-ClusterBodensee die Plasmatechnologieindustriell für den Textilsektor an-wendbar gemacht. Die Pilotanlageder Empa bildete dabei denentscheidenden Faktor für denTransfer vom Labor- in denIndustriemassstab. (Bild: Empa)

SchaltschränkeSteuerplatine

Bestücker

DesignerMAIN UNIT UNIT UNIT UNIT

ELEKTRONIK

bis zu 30 Lieferanten

Dioden LEDs

Spulen

Widerstände

etc.

ICs

Klemmen

Kondensatoren

Kontrolleinheit Generator

26 // Im Dialog

Klein, aber keineswegs unwesentlich: Defekte elektronischer Bauteilekönnen nicht nur Computeranlagen, sondern ganze Verkehrssysteme undKraftwerke ausfallen lassen und dadurch enorme Kosten provozieren.Die Fehlersuche ist meist schwierig, vor allem, wenn die Bauteile keineFabrikationsmängel aufweisen. Fachleute der Empa agieren für die Industrieals Detektive und betreiben Ursachenforschung auf höchstem Niveau.

TEXT: Martina Peter

In einem komplexen elektronischen Sys-tem müssen Abertausende von Kompo-nenten und Modulen reibungslos zusam-

menspielen. Kommt es zu Systemausfällen,können fast unendlich viele Fehler dafür ver-antwortlich sein; nur schon für einen einzi-gen Mikrochip sind rund 400 Fehlerklassendefiniert. Wie also die sprichwörtliche Nadelim Heuhaufen finden, wenn – wie kürzlichin einem Windkraftwerk – aus unersichtli-chem Grund einwandfreie Dioden regelmäs-sig ausfallen?

Eine Aufgabe so recht nach dem Ge-schmack von Empa-Forscher Peter Jacob,der zusammen mit anderen Fachleuten fürMikroelektronik mit kriminalistischemSpürsinn derartige Ausfälle untersucht,Schwachstellen in Bauteilen, im Schaltde-sign und in der Anwendung offenlegt unddabei mitunter überraschende Ergebnissean den Tag fördert. Das Team aus der Ab-teilung «Elektronik/Messtechnik» funktio-

niert wie eine «Facharzt-Gemeinschafts-praxis». «Patienten» des Zentrums für Zu-verlässigkeitstechnik (ZTT) sind Bauele-mente und Module aus der Leistungs-, Mi-kro- und Optoelektronik. «Zu uns kommenIndustriekunden, die häufig mit demSchlimmsten rechnen», so Jacob. Dennmanche hätten bei einem Ausfall ihrer Sys-teme hohe Folgekosten zu befürchten.

Wie ein Arzt führen die Empa-Fachleu-te zunächst ein Diagnosegespräch: Etwawie die Verschaltung in der Anwendungausgelegt ist, wer die Module liefert oderwie lange das Bauteil schon im Einsatz ist.Im Falle des Windkraftwerks zeigten aller-dings weder die Bauelemente Fabrikations-fehler noch wiesen die Schaltpläne Mängelauf. Trotzdem fielen stets an derselbenStelle in einem Modul mit integriertemGleichrichter kleine Dioden aus. Redun-danzen – eine Art Ersatzsystem, das bei Be-triebsstörungen «einspringt» – verhindern,

dass die übergeordnete Komponente, indiesem Fall die Generatorsteuerung, in Mit-leidenschaft gezogen wird. Doch die stän-dig notwendigen Reparaturen erwiesensich im abgelegenen Windkraftwerk alsausserordentlich zeitaufwändig und teuer.Höchste Zeit also, die Empa-Fachleute mitder Suche nach dem wirklichen Grund fürden Ausfall zu beauftragen.

Detektivische KleinarbeitEine technische Anlage wie ein Windkraft-werk zu bauen, ist fast so kompliziert wiedie darin enthaltenen Regel- und Steue-rungssysteme. Ein Zulieferer stellt Turmund Windrad auf, ein anderer entwickeltdie benötigten Regelungssysteme – diewiederum unzählige Elektronikkomponen-ten weiterer Hersteller enthalten undschliesslich von einem weiteren Partner inder Fertigungskette zur Gesamtsteuerungzusammengesetzt werden. 30 oder mehr

Fehlersuche – erfolgreich

20 // Dienstleistungen

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Gebäude/Turm Mechanik Rotor

Elektro-statik

Im Dialog // 27

beteiligte Lieferanten sind keine Seltenheit.Das ergibt zahlreiche Schnittstellen, undan jeder können sich Fehler einschleichen.

Wenn Peter Jacob oder einer seinerKollegen ausgefallene Bauteile und Modulephysikalisch analysieren will, steht ein inder Schweiz nahezu einzigartiges Arsenalan Untersuchungsgeräten und Manipulati-onsverfahren für Mikrostrukturen zur Ver-fügung. Zunächst versuchen sie im Bauele-ment den Fehler zu orten – meist sind dasfingernagelgrosse Mikrochips mit Millio-nen von Transistoren. Bleibt dies erfolglos,machen sie sich an die Systemanalyse.«Manchmal sind es gerade die scheinbarunwichtigen, eher zufälligen Details, dieuns auf die richtige Spur führen», erläutertJacob.

Im Fall des Windkraftwerks brachtenihn erneute Gespräche mit den betreuen-den Technikern auf des Rätsels Lösung. Sieberichteten Jacob von anderen, in ihren

Augen nebensächlichen Beobachtungenbei der Rotorerdung und lieferten demEmpa-«Fahnder» dadurch das noch fehlen-de Puzzleteil: Es war die elektrostatischeAufladung des Windrads, die auf die Welleeinwirkte und damit indirekt den Ausfallder Dioden herbeiführte. Ein grosser Rotor-durchmesser verursacht hohe elektrostati-sche Spannungen auf der Rotorachse. Istdiese nicht richtig geerdet, springen immerwieder winzige Funken über, die über dieLeitungsführungen als Spannungsimpulsein die Elektronik eingekoppelt werden.Diese machten den Dioden schliesslichvorzeitig den Garaus.

Das Rezept lautete also: korrekte Er-dung herstellen, die Leitungsführung opti-mieren, um Störsignale mit hohen Impul-sen aus Nachbarleitungen zu vermeiden,und an einigen Stellen zusätzliche Schutz-elemente in die Schaltung einbauen. Undschon war der Spuk vorbei. //

beendet

Dienstleistungen // 21

Zentrum fürZuverlässigkeitstechnik(ZZT) der Empa

Industriepartner finden an der Empa Fachleute,die ihnen helfen, komplexe Qualitäts- und Zuver-lässigkeitsfragen hinsichtlich Materialien, Bautei-len, Geräten und Systemen zu beantworten. Dabeikommen Geräte und Methoden wie Ionenfein-strahlanlagen (Focused Ion Beam, FIB), Raster-und Transmissionselektronenmikroskope, speziel-le Präparations- und Schleifmaschinen sowieEmissionsmikroskope, thermische Laserstimulati-on oder Infrarot-Thermografie zum Einsatz. Zahl-reiche Firmenkunden – vor allem kleine und mittle-re Unternehmen (KMU) – haben sich dem «Indus-triepool» angeschlossen, über den sie bei Bedarfauf die Hilfe des ZZT sowie eines weiteren Empa-Analysezentrums, dem ZZfP (Zentrum für zerstö-rungsfreie Prüfungen), zurückgreifen können. www.empa.ch/abt173

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1Guter Durchblick ist gefragt:In einem komplexenSystem liegt der Grund füreinen Ausfall manchmalnicht sofort auf der Hand.Hier verursachte dieelektrostatische Belastungdes Rotors immer wiedereinen Ausfall von Diodenin der Steuerplatine.(Grafik: André Niederer)

2In abgelegenen Einsatzortenkönnen Reparaturen vondefekten Elektronikbauteilenaufwändig und teuer werden.(Foto: Beatrice Huber)

22 // Wissenschaft im Dialog

Besuch der St.GallerKantonsregierung

Am 19. Oktober empfing die Empa in St. Gallen hohen Besuch: Die Kantonsre-gierung erschien in corpore und erhieltvon Wissenschaftlerinnen und Wissen-schaftlern der Empa einen umfassendenEinblick in deren Forschungsaktivitäten.Die Kantonsregierung zeigte sich dannauch sichtlich beeindruckt.

EmpaNews als e-paper

Neben der gedruckten Ausgabe gibt esdie EmpaNews seit kurzem auch als sogenanntes e-paper, also völlig papierlos.Einfach auf der Homepage der Empa-News (www.empanews.ch) in der rech-ten Spalte auf die entsprechende Ikoneklicken – und schon können Sie die Empa-News ab Ausgabe 21, also seit der Neuge-staltung 2008 als Forschungsmagazin, so-wie weitere Publikationen der Empa alsblätterbares PDF am Computer durchstö-bern. Natürlich ist es auch möglich, einzel-ne Seiten und Artikel abzuspeichern undauszudrucken.

Swiss Innovation Forum 2010

Am 5. Swiss Innovation Forum vom 4. November in Basel präsentierte dieEmpa ihren für Solar Impulse massgeschneiderten Pilotenanzug. Solar Impulseverfolgt das Ziel, nur mit Sonnenenergie die Welt zu umrunden. Damit die Pi-loten während den Etappen, die bis zu fünf Tage und Nächte dauern werden,weder schwitzen noch frieren, sind besondere Bekleidungssysteme gefragt.Die Empa griff für den Pilotenanzug auf ein alt bewährtes Material zurück:Daunen haben eine extrem hohe Wärmeisolation und transportieren Feuchtesehr gut. Beim ersten Nachtflug von Solar Impulse Anfang Juli 2010 hat derAnzug die Feuer- und Eistaufe bestanden.

Preis an Optotune verliehenDer Swiss Technology Award, der seit 2007 im Rahmen des Swiss Innovation Fo-rums verliehen wird, ging dieses Jahr in der Kategorie «Start-up» an die FirmaOptotune. 2008 als Spin-off der ETH Zürich gegründet, ist Optotune im glaTec,dem Technologiezentrum an der Empa in Dübendorf, angesiedelt. Das Jungunter-nehmen entwickelt, unter anderem zusammen mit Empa-Forschenden, optischeSysteme, die mit Hilfe «künstlicher Muskeln» die Brechkraft einer Linse stufenweisevariieren, ähnlich wie das menschliche Auge. Mittlerweile zählt Optotune 20 Mit-arbeitende.

Wissenschaft im Dialog // 23

Ausbildungswoche für junge Forschende

Anfang November waren elf junge Forschende – drei davon von der Empa –während einer Woche in der ganzen Schweiz unterwegs und liessen sich beiverschiedenen Unternehmen und auch klinischen und akademischen Institu-tionen Einblick in die aktuellen Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten so-wie Produktionsanforderungen im Bereich (Bio-)Materialien geben. Dieser«Travelling Lab Workshop» gehört zu den Ausbildungsaktivitäten des CCMX,des Kompetenzzentrums für Materialwissenschaften und Technologie desETH-Bereichs, an dem die Empa beteiligt ist. Die Ausbildung geniesst im Kom-petenzzentrum einen hohen Stellenwert. Die Teilnehmerinnen und Teilneh-mer durften während des Workshops nicht nur zusehen, sondern musstenauch aktiv in Fallstudien und bei praktischen Problemlösungen mitarbeitenund ihre eigenen Forschungsprojekte vorstellen und diskutieren. Organisiertwurde der Workshop von Katharina Maniura, Co-Leiterin der Empa-Abteilung«Materials-Biology Interactions» und Leiterin des CCMX-Bereichs «MatLife»;sie begleitete die Gruppe auch während der Woche.

Links: Der «Tesla Roadster», der wohl bekannteste Elektrosportwagen, beschleunigt in knapp vierSekunden von Null auf 100 – lautlos. Rechts: Fahren mit Erdgas – und erst recht mit Biogas – reduziertden CO2-Ausstoss deutlich.

Let the wind flow …

Die Empa hat letztes Jahr einen neuenWindkanal gebaut, mit dem die Abtei-lung «Bautechnologien» das Verhaltenvon Windströmungen in Städten unter-suchen wird (siehe dazu auch Empa-News 27 «Mit ‹Urban Physics› zu besse-rem Stadtklima»). Am 11. März findetdas offizielle Eröffnungssymposium«Energy and Wind Research for FutureCities and Societies» statt, das sich an Ar-chitekten, Raumplanerinnen, Städtepla-ner und Wissenschaftlerinnen, aber auchan die interessierte Öffentlichkeit richtet.

Mit der Bahn an die Empa

Nun ist es soweit: Seit Mitte Dezemberverbindet die Glattalbahn die Empa in Dü-bendorf direkt mit dem Flughafen Zürichund dem Bahnhof Stettbach. Am Eröff-nungsfest für die neue Linie 12 präsentier-te die Empa anhand von Versuchsfahrzeu-gen und Prototypen neue Antriebstechni-ken, die mit Wasserstoff, Strom oder Erd-beziehungsweise Biogas funktionieren.Ausserdem konnten die sehr zahlreichenBesucherinnen und Besucher Forschungs-projekte zu den Themen Lärm sowieBrandschutz im Verkehr «hautnah» erle-ben. Und auf dem Empa-Gelände standender neue Windkanal (siehe auch «Let thewind flow …») sowie Self, die energie- undwasserunabhängige Raumzelle zum Woh-nen und Arbeiten, zur Besichtigung offen.

Tage der Technik 2010

Die Mobilität ist ein wichtiges Standbein für die Schweizer Wirtschaft, aller-dings auch ein Sorgenkind auf dem Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung.Stellt sich also die Frage, wie die individuelle Mobilität gesichert werden kann,ohne Mensch und Umwelt langfristig übermässig zu belasten. Darauf wolltendie Tage der Technik 2010, initiiert von Swiss Engineering STV, der Schwei-zerischen Akademie für Technische Wissenschaften SATW und der Empa, un-ter dem Motto «Nachhaltige Mobilität» Antworten liefern. An der Zentralver-anstaltung am 27. Oktober an der Empa in Dübendorf zeigte eine Ausstellung,wie vielfältig Mobilität heute bereits ist. Interessierte konnten einige der Gas-und Elektrofahrzeuge auch Probe fahren.

Veranstaltungen11. März 2011Let the wind flowSymposium zur Eröffnung des neuen Windkanalsan der Empa Empa, Dübendorf

16. März 2011Erdbebengerechte mehrgeschossige HolzbautenFür Bau- und HolzbauingenieurInnenEmpa, Dübendorf

22. März 2011Nanofabrication and Nanoanalysis with focusedelectron and ion beams (FEB, FIB)Empa-FSRM-KursEmpa, Dübendorf

25. März 2011 Challenges and Opportunities of Diesel ParticleFilter TechnologiesFür VertreterInnen der Partikelfilterindustrie,Behörden und Mitglieder des VERT-VereinsEmpa, Dübendorf

5. April 2011AluminiumlegierungenEmpa-FSRM-KursEmpa, Dübendorf

16. Mai 2011 Blended and Alternative CementsFür Fachleute aus Forschung und Industrie inden Bereichen Zement, Mörtel und BetonEmpa, Dübendorf

18. und 19. Mai 2011 Swiss NanoConvention 2011Für Interessierte aus Wissenschaft und IndustrieKultur- und Kongresszentrum TRAFO, Baden

Details und weitere Veranstaltungen unterwww.empa-akademie.ch

Ihr Zugang zur Empa:

Sehr eindrücklich fanden

wir das Zusammenspiel

der verschiedenen

Wissenschaftszweige

und die modernen

Errungenschaften sowie

die Schnittstelle

von Wissenschaft zur

Anwendung.

Willi HaagRegierungspräsidentdes Kantons St. Gallen

“

Meinung

Willi Haag

[email protected] +41 44 823 44 44www.empa.ch/portal”

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EmpaNews Februar 2011