Transportwege im Knochen, Poren im Beton

22. Jänner 2013, 17:49
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Forscher erarbeiten eine Methode, um Hohlräume in porösen Materialen möglichst exakt darzustellen

Baustoffe und Knochen haben einiges gemeinsam. Beide haben zum Beispiel Hohlräume in ihrem Inneren. Diese Porenräume lassen sich bei den verschiedenen Materialien auf dieselbe Art bestimmen, modellieren und simulieren. Genau das hat sich das Projekt "DigiPore3D" zur Aufgabe gesetzt. Bei dem durch das Land Tirol geförderten Forschungsprojekt kooperieren unter anderem Materialwissenschafter und Mediziner der Universität Innsbruck. Die einen wollen etwa herausfinden, mit welchem Druck man Suspensionen in Baustoffe zur deren Verfestigung einpressen muss, die anderen wollen Auswirkungen von Knochenvermörtelungen berechnen, um Implantate zu verankern.

Angefangen habe es damit, dass man Dämmmaterialien wie Kunststoffschäume verbessern wollte, erzählt Roman Lackner vom Arbeitsbereich Materialtechnologie der Universität Innsbruck im Standard-Gespräch. "Wir wollten uns die Mikrostruktur anschauen und sind bei den Medizinern gelandet, die einen Computertomografen haben, den sie zur Untersuchung von Knochen verwenden." Die Kooperation hatte ein "kleines Aha-Erlebnis" zur Folge, als man entdeckte, dass sich die unterschiedlichen Disziplinen mit ähnlichen Fragestellungen beschäftigen. Beide sind interessiert, den Porenraum in ihren Materialen besser zu verstehen.

Die Beschaffung des Porenraums bestimmt, wie Transportvorgänge in Materialien ablaufen. Dabei kann es um gewollte Transportprozesse, wie das Auszementieren von Knochen oder das lokale Verfestigen von Bauteilen gehen, oder um das Verhindern ungewollter Vorgänge, etwa das Aufsaugen von Nässe durch wasserberührende Bauteile. Derzeit werde die Porösität von Baustoffen lediglich in Prozentanteilen angegeben. "15 Prozent Porösität sagt aber nichts darüber aus, wie schnell eine Flüssigkeit durchs Material wandert", sagt Lackner. "Das könnte theoretisch auch eine große, isolierte Pore in der Mitte sein."

Zu hoher Rechenaufwand

Eine Möglichkeit, um den Verhalten poröser Materialien auf die Spur zu kommen, wäre, "das Computertomografiebild in den Computer zu packen, um dort die Transportvorgänge zu simulieren", sagt Lackner. Praktisch scheitert das - zumindest noch - an den Rechenressourcen derzeitiger Computer. Die Struktur sei "zu komplex, dicht und variabel, um sie auf diese Art modellmäßig abzubilden", sagt Lackner. "Vielleicht geht es in 20 oder 30 Jahren, wenn die Computerpower da ist."

Plan B ist, den Porenraum nicht eins zu eins, aber statistisch korrekt zu beschreiben. Im NanoLab der Universität Innsbruck werden weitere Daten aus den Proben gewonnen: zur Ermittlung eines 3-D-Bildes des Porenraums fräst ein Ionenstrahl Schicht für Schicht des porösen Materials ab, ein Elektronenmikroskop nimmt immer wieder Bilder der Oberfläche auf. Zum anderen werden Proben mittels einer Sorptionswaage gewogen, was ebenso Rückschlüsse auf den Porenraum zulässt.

Auf Grundlage der Daten kommt man zu einem "Fingerprint" für die einzelnen Poren, erklärt Lackner. Jede Pore habe eine gewisse Form, Ausrichtung, Größe, und ist wiederum mit anderen Poren verbunden.

"Unser Ziel ist, ein Computermodell zu generieren, das statistisch die selben Eigenschaften wie das reale Material hat und den Porenraum so gut wie möglich abbildet", erklärt Lackner. Auf Basis dieses Computermodells soll ein Simulationstool entwickelt werden, mit dem man gewollte oder ungewollte Transportvorgänge genauer prognostizieren kann.

Die Ergebnisse erlauben einerseits die Bestimmung des erforderlichen Drucks bei Einpressvorgängen. Andererseits wird in den Materialien die Prognose von ungewollten Transportvorgängen ermöglicht. (pum, DER STANDARD, 23.01.2013)

  • Die Forscher wollen mehr über das Innenleben poröser Materialien wie Knochen 
erfahren.
    foto: archiv

    Die Forscher wollen mehr über das Innenleben poröser Materialien wie Knochen erfahren.

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