Der griechische Aphorismus Heraklits, „Alles fließt“, erhält in der Materialwissenschaft eine konkrete Bedeutung. Hier zeigt sich Wandel als naturwissenschaftliches Prinzip: Nichts ist wirklich fest, vieles durchdringt und verändert sich gegenseitig. Dieser Blick auf Stoffe, ihre Strukturen und Beziehungen, reicht von metallischen Grenzflächen bis in die Produktion moderner Mikrochips – und damit mitten in unseren Alltag.
Was die Materialwissenschaft ausmacht
Die Materialwissenschaft verbindet Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften zu einem interdisziplinären Feld, das sich mit Aufbau, Eigenschaften und Herstellung von Werkstoffen beschäftigt. Ziel ist es, Stoffe auf atomarer und molekularer Ebene zu verstehen – durch Analysen ihrer Zusammensetzung, Struktur und thermodynamischen wie kinetischen Eigenschaften. Methoden wie Phasendiagramme und Diffusionsuntersuchungen helfen, Zustandsübergänge und Wechselwirkungen zu erfassen. Dieses Wissen ermöglicht gezielte Materialentwicklungen, etwa für Mikroelektronik oder Hochleistungstechnologien. So schlägt die Disziplin eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung – ein zentrales Merkmal für Hochschulen angewandter Wissenschaften.
Von metallischen Grenzflächen zu Mikroelektronik
Ein Beispiel ist die Forschung von Dr. Martin Seyring an der Hochschule Schmalkalden. Der promovierte Materialwissenschaftler erforscht Phasenungleichgewichte und Interdiffusion an metallischen Grenzflächen – Prozesse, die bei der Herstellung mikroelektronischer Bauteile entscheidend sind. Gemeinsam mit Prof. Roy Knechtel arbeitet er an der Entwicklung sogenannter MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) – winziger Sensoren, die etwa in Smartphones und Smartwatches verbaut sind.
Während sich Roy Knechtel auf Konstruktion und Integration konzentriert, untersucht Martin Seyring die Verbindung dieser Sensoren mit metallischen Werkstoffen durch Verfahren wie Bonden und Löten. Dabei stehen Fragen im Mittelpunkt wie: Wie reagieren Metallschichten miteinander? Wie lassen sich ihre Eigenschaften und Grenzflächen optimieren?
Ein Schlüsselfaktor ist die Zeit: Diffusions- und Reaktionsprozesse verlaufen oft langsam, ihre Effekte sind aber entscheidend für Stabilität und Leistungsfähigkeit von Materialien. Durch gezielte Temperaturerhöhung lassen sich Alterungsprozesse beschleunigt simulieren – ein wichtiger Beitrag zur effizienten Serienfertigung.
Materialinnovation und Nachhaltigkeit
Technologischer Fortschritt bringt ökologische Verantwortung mit sich. Seyring und Knechtel arbeiten daher im Projekt „MatInWLP“ (Material-Innovationen im Wafer-Level-Packaging) an einer nachhaltigen Weiterentwicklung der Mikrochipproduktion. Ziel ist es, elektronische Bauteile direkt auf dem Wafer – der Trägerscheibe aus Silizium – aufzubauen, statt sie in vielen Einzelschritten weltweit montieren zu müssen.
Dieses Wafer-Level-Packaging (WLP) reduziert Transportwege, Materialverbrauch und ökologische Belastungen erheblich. Zugleich eröffnet es neue Möglichkeiten durch den Einsatz von 3D-Druckverfahren. Das Projekt, gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung im Schwerpunktthema Ressourceneffizienz, läuft bis 2027 und wird mit 1 Million Euro unterstützt. Es bündelt technologische, ökonomische und ökologische Ambitionen – mit dem Ziel, die Produktion von Mikrochips effizienter, nachhaltiger und ressourcenschonender zu gestalten.
Fazit
Die Materialwissenschaft zeigt, dass alles in Bewegung ist – auch im scheinbar Starren. Vom atomaren Gitter bis zur globalen Lieferkette offenbart sich ein Netz aus Beziehungen, Veränderungen und Wechselwirkungen. „Panta rhei“ wird so zur Formel einer Disziplin, die Wandel nicht nur beschreibt, sondern aktiv gestaltet – für eine technologische Zukunft, die das Fließen der Materialien mit dem Fließen der Ideen verbindet.