Revolution in Materialien: Die Welt, die wir kennen, verändert sich in chemischen Laboren

Der Beginn dieses Jahrhunderts wurde nicht nur durch Informatik und Digitalisierung geprägt, die oft als die größten technologischen Errungenschaften diskutiert werden, sondern auch durch neue Materialien – nachhaltige, intelligente und biologische – sowie durch computergestützte Materialwissenschaft. Die Revolution in der Materialwissenschaft und Chemie, zusammen mit neuen Materialien, definiert alles neu – von ökologischer Nachhaltigkeit bis hin zu High-Tech-Fertigung. Neue Technologien beschleunigen Innovation, Entdeckung und Design neuer Materialien, wobei Chemieingenieure eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Materialien und Prozesse vom molekularen bis zum makroskopischen Niveau spielen. Chemieingenieurwesen hat eine enorme Rolle im Design und in der Produktion neuer Materialien, nicht nur heute. Beispielsweise markierte die Veröffentlichung von Hermann Staudingers Arbeit ‚Über Polymerisation‘ (1920) den Beginn des Designs von Kunststoffen mit unendlich anpassbaren Eigenschaften, Formbarkeit und extrem niedrigen Kosten, was dazu führte, dass Polymere jeden Aspekt des Lebens durchdrangen. Chemieingenieure entwickelten beispielsweise bereits in der Mitte des 20. Jahrhunderts eine Umkehrosmosemembran zur Wasserentsalzung aus Celluloseacetat, was darauf hinweist, dass das Chemieingenieurwesen, zusammen mit Wissenschaftlern aus anderen Bereichen, systematisch an Innovationen beteiligt ist.

Allmächtige Polymere

Wasserreinigung, Lebensmittelkonservierung, Kleidung, Windeln für Neugeborene, Fahrzeuge, Computerkomponenten und Arzneimitteltherapie… verlassen sich auf die Polymerindustrie, deren globale Produktion seit der Mitte des 20. Jahrhunderts erheblich zugenommen hat. Beispielsweise stammen die in der regenerativen Technik verwendeten Materialien (eine innovative Technik, die das Knochenwachstum des eigenen Gewebes fördert) aus den Laboren von Chemieingenieuren… Diese Ingenieure waren von Anfang an entscheidend für die Entwicklung dieser Branche, da sie ein integriertes Verständnis von chemischer Synthese und Katalyse, Thermodynamik, Transport und Prozessdesign haben. Beispielsweise wird das Verständnis der Rheologie von Polymeren und das Design von Geräten für deren Verwendung als eine der größten Errungenschaften des Chemieingenieurwesens angesehen.

Während innovative Entdeckungen die Branche umgestalten, führt der Sektor der Materialien in technologischen Fortschritten. Neue Materialien bringen dynamische Veränderungen in der Materialwissenschaft mit sich, revolutionieren die Fertigung und definieren Nachhaltigkeit, Effizienz und das Design zukünftiger Produkte neu. Beispielsweise werden selbstheilende Polymere und Graphen (entdeckt von Physikern) in der Elektronik, Telekommunikation, für ‚unzerbrechliche‘ berührungsempfindliche Bildschirme, Transistoren, schnellladende Batterien verwendet und finden zunehmend Anwendung in der Medizin, insbesondere bei der Behandlung schwerer Krankheiten (wie Krebs), und bieten Antworten auf einige der größten Herausforderungen von heute.

Intelligent und nachhaltig

Die Integration neuer Materialien verändert die Branche erheblich. Neue Materialien transformieren beispielsweise die Luftfahrtindustrie, indem sie das Gewicht von Flugzeugen reduzieren und die Kraftstoffeffizienz erhöhen, das Aufkommen von leitfähiger Tinte in der Elektronik eröffnet eine neue Ära flexibler tragbarer Technologie, und die Medizin macht bedeutende Fortschritte bei Prothesen und Implantatgeräten. Jetzt stehen im Mittelpunkt neuer Materialien solche, die nachhaltig, intelligent und biologisch sind, als Antworten auf Innovationsherausforderungen in verschiedenen Branchen. Die Vereinigten Staaten, Deutschland, das Vereinigte Königreich und Indien führen die Entwicklung neuer Materialien an, wobei Städte wie New York, London, Mumbai, Sydney und Singapur als Innovationszentren dienen. Aufgrund des enormen Potenzials der neuen Materialindustrie oder Materialien der Zukunft hat sie bereits rund 998 Milliarden Dollar an Investitionen angezogen. Die größten Investoren in diesem Sektor sind Tiger Global Management, SoftBank Vision Fund und Warburg Pincus…

So klein, so mächtig

Laut TrendFeed-Daten, einer Plattform, die fortschrittliche Algorithmen verwendet, um zukünftige industrielle und technologische Trends zu identifizieren, nimmt die Materialindustrie eine Position unter den zehn besten Trends ein oder gehört zu den besten ein Prozent der globalen industriellen und technologischen Trends. Dies betont ihre zentrale Rolle bei der Förderung von Innovationen in verschiedenen Branchen, von der Luftfahrt bis zur Medizin. Im Herzen aller Trends steht die Nanotechnologie. Sie ist entscheidend für die Entwicklung von Materialien mit verbesserten Eigenschaften: erhöhte Festigkeit, reduziertes Gewicht und größere chemische Reaktivität. Nanomaterialien konzentrieren sich auf die Manipulation von Materie auf der Nanoskala, um außergewöhnliche Eigenschaften zu erreichen. Aufgrund ihrer zunehmenden Verwendung in verschiedenen Branchen wird erwartet, dass dieser Markt bis 2030 über 32 Milliarden Dollar wert sein wird. Dieses Wachstum resultiert aus ihrer Anwendung im Gesundheitswesen, in der Elektronik und in der Luftfahrt, wobei Titan-Nanopartikel und Gold-Nanomaterialien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften an Bedeutung gewinnen.

Der Markt für Thermoplaste wächst ebenfalls stark, wobei sein Wert in diesem Jahr voraussichtlich 20 Milliarden Dollar überschreiten wird. Er entwickelt sich zu einem wichtigen wachsenden Trend in verschiedenen Sektoren, der den Fokus der Branche auf die Reduzierung des Produktgewichts vorantreibt, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, sowie auf Nachhaltigkeit und effiziente Ressourcennutzung. Der Markt für Elektrofahrzeuge ist ein wichtiger Verbraucher von Thermoplasten, da thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Herstellung leichter Komponenten unerlässlich sind.

Selbstschmierend

Innovation umfasst auch die Einführung von selbstschmierenden thermoplastischen Verbundlagern mit geringer Reibung, die den Verschleiß an mechanischen Systemen reduzieren. Die Branche benötigt auch intelligente Materialien, die auf externe Reize reagieren, indem sie ihre Eigenschaften ändern: Temperatur, Feuchtigkeit, Alkalität und elektrische oder magnetische Felder. Dies sind aufkommende Materialien, die Innovationen in verschiedenen Anwendungen bringen, von Energieeffizienz bis hin zur Verlängerung der Lebensdauer von Produkten. Der Markt für intelligente Materialien wächst erheblich und wird voraussichtlich bis 2030 über 250 Milliarden Dollar wert sein, das Vierfache seines Wertes im Jahr 2021. Dies ist auf die zunehmende Anwendung im Automobilsektor zur Entwicklung intelligenter Fahrzeuge und im Gesundheitswesen für biomedizinische Anwendungen zurückzuführen. Neue Materialien spielen auch eine wichtige Rolle in der Nachhaltigkeit. Beispielsweise konkurriert die wirtschaftliche und ökologische Belastung durch Elektronikabfälle mit der von Kunststoff und ist das am schnellsten wachsende Segment des festen Abfalls weltweit. Daher wenden sich Hersteller grünen Materialien zu, die die Branche in eine umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Materialien verwandeln, die recycelbar sind.

Nutzung der Biosphäre

Im Chemieingenieurwesen gab es auch ein starkes Wachstum bei Biomaterialien aufgrund bedeutender Fortschritte in der klinischen Nutzung von biologisch abbaubaren und biologisch abgeleiteten Polymersystemen. Wichtige Bereiche für Fortschritte bei Biomaterialien umfassen regenerative Technik, Wundheilung und systemische sowie lokale Abgabe von Nukleinsäuren. Biomaterialien können auch Lösungen in Bereichen jenseits der menschlichen Gesundheit bieten, wie Pflanzen- und Tierwissenschaften sowie das Design von Systemen, die pflanzliche oder organische Materialien verwenden, die biologisch abgeleitete oder biomimetische Polymere ermöglichen könnten. Biotechnologie transformiert Materialien, indem sie die Entwicklung lebender Materialien erleichtert, die wachsen, sich selbst reparieren und sich an ihre Umgebung anpassen. Biomaterialien umfassen Holz, Leder, Seide, Wolle, Cellulose usw., und ihre Nutzung reduziert die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen, ermöglicht biologischen Abbau und verringert die Umweltverschmutzung. Sie sind wertvoll für Unternehmen, die ihren CO2-Fußabdruck reduzieren und auf umweltfreundliche Produkte umsteigen. Diese Materialien bieten eine nachhaltige Lösung für das weit verbreitete Problem des Abfalls, insbesondere in der Verpackungsindustrie. Beispielsweise verwendet das amerikanische Unternehmen Covation Biomaterials biologische Materialien für verschiedene Zwecke, wie nachhaltige Textilien und biologisch abbaubare Pflegeprodukte, und ersetzt damit effektiv erdölbasierte Produkte.

Ein wenig Hilfe von der Technologie

Obwohl einige der neuen Materialien noch in der Testphase sind, würden sie ohne die Hilfe der computergestützten Materialwissenschaft – einer Technologie, die leistungsstarke Simulationen verwendet, um das Verhalten und die Wechselwirkungen von Materialien vorherzusagen – nicht existieren. Dies beschleunigt die Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien und revolutioniert die Art und Weise, wie Materialforschung durchgeführt und entwickelt wird. Durch die Integration von künstlicher Intelligenz und Datenanalytik können Wissenschaftler Materialeigenschaften vorhersagen, die Auswahl optimieren und die Entdeckung neuer Materialien beschleunigen.

Die Nachfrage nach neuen, fortschrittlichen Materialien in allen Branchen hat erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen auf den Übergang von Materialien. Dieser Markt wächst kontinuierlich, und laut einem Bericht von IndustryARC wird geschätzt, dass er bis 2025 2,1 Billionen Dollar erreichen wird, beeinflusst durch die hohe Nachfrage in verschiedenen Branchen.

Die Materialindustrie beschäftigt derzeit weltweit 31,8 Millionen Arbeiter, mit einem jährlichen Anstieg von 1,6 Millionen Beschäftigten. Sie generiert jährlich 5,6 Billionen Dollar, was den Materialsektor zu einem der Hauptakteure in der globalen Wirtschaft macht. Die Vereinigten Staaten und Deutschland sind die führenden Akteure in diesem Sektor, gefolgt vom Vereinigten Königreich und Indien.

Neue Materialien bedeuten nicht nur technologischen Fortschritt, sondern auch ein Engagement für nachhaltige Entwicklung – die neue Materialindustrie steht an der Spitze der Gestaltung einer innovativeren Zukunft. Die Integration neuer Technologien mit Trends in der Entwicklung neuer Materialien und chemischer Wissenschaft spiegelt die Synergie von Technologie wider, insbesondere künstlicher Intelligenz, Biotechnologie und Ökologie. Durch die Verwendung von Algorithmen der künstlichen Intelligenz und fortschrittlicher Datenanalytik ermöglicht technologische Intelligenz Organisationen, effektive Einblicke in die sich ständig verändernde technologische Landschaft zu gewinnen, was sie befähigt, informierte Entscheidungen zu treffen, Marktveränderungen vorherzusehen und der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein.