Forschungsbereich B

Der Forschungsbereich B wird adaptive, „weiche“ makromolekulare Materialsysteme erforschen, die ihre Eigenschaften und ihre Reaktivität über Selbstregulationsphänomene verändern und anpassen.

Um solche Materialsysteme zu entwickeln, müssen die Wissenschaftler*innen hierarchische Systeme schaffen: Dafür soll eine „top-down“-strukturierte additive Fertigung mit der Fähigkeit zur Selbstassemblierung verknüpft werden, die „bottom-up“ funktioniert, sowie mit programmierbaren Wechselwirkungen auf molekularer, struktureller und systemischer Ebene. livMatS bezeichnet diese innovative Strategie als MAM (engl.: Integrated Multimaterials Additive Manufacturing).

Dabei ist es wichtig, verschiedene Längen-, Kraft- und Zeitskalen zu verstehen und zu nutzen: Diese reichen von der molekularen Ebene bis hin zur Ebene des integrierten Systems. Sie unterscheiden sich zudem hinsichtlich der jeweils anwendbaren Schaltmechanismen, Reaktionszeiten, Ansätze für die Bi- und Multistabilität sowie der selbstregulierenden Merkmale. Ziel ist eine synergistische Reaktion in einem integrierten Materialsystem.

In Bezug auf die Anpassungsfähigkeit wird mit den gegenwärtigen Konzepten responsiver Materialien gebrochen, die meist passiv zwischen Gleichgewichtszuständen wechseln. Stattdessen liegt der Fokus auf Anpassungsmechanismen. Dazu gehören die Anpassung an nicht-triviale Funktionszustände (wie sie z.B. in Metamaterialien stattfindet), die (nichtlineare) Anpassung entsprechend der Signalstärke und die Anpassung in Abhängigkeit von Signalfrequenzen (eine einfache Form von Trainieren und Lernen auf der Ebene von Materialsystemen).

Außerdem werden im Forschungsbereich B Konzepte entwickelt, wie sich eine aktive Anpassung durch die Freisetzung gespeicherter Energie erreichen lässt. Dies ist nur über die Nutzung von Nichtgleichgewichtskonzepten möglich, da eine aktive und schnelle Anpassung am besten von energiereichen Zuständen ausgeht oder in dissipativen Gleichgewichtszuständen stattfindet.

Somit sollen 5D-Materialien entwickelt werden, die drei räumliche und eine zeitliche Dimension sowie die Signal- bzw. Informationsprozessierung als Grundlage zur Gestaltung von Anpassungsmechanismen intergrieren. Forschungsbereich B wird von den in Forschungsbereich A entwickelten Mechanismen zur Energiegewinnung profitieren und diese Energie speichern, konvertieren und für Anpassungsprozesse nutzen. Die Wissenschaftler*innen werden sich auf drei sehr wichtige molekular kontrollierbare weiche Werkstoffe konzentrieren: Polymere, Peptide (bzw. Proteine) und DNA und in diese verschiedenste kontrollierbare, korrelierbare und selbstregulierende Schalt- und Informationsprozessierungsmechanismen integrieren.

Koordinatoren Forschungsbereich B
Prof. Dr. Laura Hartmann, Prof. Dr. Bastian E. Rapp

Projekte in Forschungsbereich B

Langzeitprojekte 2022 und 2023

• The Autonomous Eyeball: how optically controlled optics can use light to steer light
• AI²nterface – Advanced interfaces for modular livMats through AI assisted design and experimental realization of programmable materials interfaces
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
• Theoretical modeling of nonequilibrium chemical fueling, self-regulation, and the multi-stimuli response and adaptation of hydrogel-based materials
• From Phase Separation to Living Materials
• Soft autonomous machine systems driven by hydrogen peroxide based gas pressure generation with logic gated fuel/gas distribution system (H2O2LogicGatesSaM)
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren.
• Chemically fueled driven adaptivity in materials systems (H2O2-O2-fueled Adaptivity)
• Gallisense - Giving materials the passive ability to sense
• Encapsulated Chemistries in Rationally Designed Metamaterials for Advanced Multi-Functionalities on Demand
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
• Volumetrically-programmable four-dimensional actuators – V4DA
• Thermoelectric Energy Harvesting with Responsive Metamaterial Surfaces - ThermoMetaS
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A und B.
• (Photo)electrochemical production of H2O2 for H2O2-fueled adaptive processes i.e. H2O2-fueled chemistry and demonstratory (H2O2-Synthesis)
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A and B.
• Bottom-up design of adaptive materials from redox responsive building blocks
• The non-local meta-material of the pomelo peel for bio-inspired long-fiber reinforcement
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren. Dieses Projekt ist Teil des Agnes-Pockels Doctoral Fellowship Program des Exzellenzclusters.
• Construction of Active Self-Assembling Materials
  Dieses Projekt ist Teil des Hermann Staudinger Doctoral Fellowship Program des Exzellenzclusters.

Langzeitprojekte 2019 und 2020

• Development of photo-responsive systems towards recyclable adaptive materials
• SEAAM: Spontaneous Emergence of Adaptive and Active Materials
• Dissipative systems engineering: Chemically fueled active molecular systems
• Logic Self-Reporting Mechano-Adaptive Metamaterials
• Autonomous light-actuated LCE actuators
• Demonstratoren für weiche, autonome Maschinen – softrobotische, energiesparende Greifersysteme mit sensorischen Fähigkeiten auf Basis von livMatS-Materialien
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, D und Demonstratoren.
• Hierarchically Programmable Materials with Propagating Stimulus Responsive Elements and Metamaterial Ultrastructuring
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
• Training Materials like Muscles
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
• Mechanical metamaterials that can adapt and learn
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
• Recombinant Production of Spider Silk Protein in Moss
  Dieses Projekt ist Teil des Agnes-Pockels Doctoral Fellowship Program des Exzellenzclusters.
• Development of an artificial Venus flytrap
  In Kollaboration mit den Forschungsbereichen A, C und Demonstratoren.

Booster-Projekte 2023 - abgeschlossen

• Controlled oxygen release through force
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren.
  Principal Investigators: PD Dr. Michael Walter und Prof. Dr. Henning Jessen
• Plant-inspired humidity-driven bending actuator
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und Demonstratoren.
  Responsible Investigator: Prof. Dr. Claas Müller
  Principal Investigators: Dr. Olga Speck und Prof. Dr. Thomas Speck
• Biomechanics of liana tendrils and searcher twigs as models for novel plant-inspired soft root arms
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Thomas Speck
• 3D Printing of shape-morphing surfaces for mechanical metamaterial surfaces
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Bastian E. Rapp
  Junior Research Group leader: Dr. Viacheslav Slesarenko
• Maskless microstructuring of livMatS surfaces
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und Demonstratoren.
  Principal Investigators: Prof. Dr. Jürgen Rühe und Prof. Dr. Bastian E. Rapp
• Intra- and extracellular self-assembly of filamentous protein polymers
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und D.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Ralf Reski
• Programmable Hydrogel Hopper: Mechanical Confinement Harnessing Slow Deformation
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
  Principal Investigators: Prof. Dr. Chris Eberl und Prof. Dr. Bastian E. Rapp
• A sustainable approach towards peptide synthesis in water
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A, B, D und Demonstratoren.
  Junior Research Group leader: Dr. Charalampos Pappas
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe
• Thin-walled structures for soft machines via a new soap-bubbleinspired manufacturing technique
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Chris Eberl
• Emergent self-organization in macroscopic systems with stimuli-responsive elements
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A, B und Demonstratoren.
  Junior Research Group leader: Dr. Viacheslav Slesarenko
  Principal Investigator: Prof. Dr. Lars Pastewka
• ECPhotoACT - First steps towards photoelectrochemical actuators
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A, B und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Anna Fischer
• Carbohydrates as predetermined enzymatic breaking points in surface-bound cross-linked polymers
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und D.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe
  Responsible Investigator: Prof. Dr. Daniel B. Werz

Booster-Projekte 2021 - abgeschlossen

• Development of dynamic photocrosslinkers towards renewable thermosets
  Junior Research Group leader: Dr. Céline Calvino
• Non-equilibrium peptide chemical networks
  Junior Research Group leader: Dr. Charalampos Pappas
  Principal Investigator: Prof. Dr. Thorsten Hugel
• Magnetically and multiresponsive microstructures
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe
• Autonomous Protein-Material-Machines Utilizing Electrical Energy to Adopt Non-Equilibrium States Exerting Controlled Movements
  Responsible Investigator: Dr. Stefan Schiller
• (Self-)adaptive energy-autonomous materials systems for building hulls inspired by hygroscopically actuated plant structures
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und C.
  Principal Investigators: Prof. Dr. Thomas Speck und Prof. Dr. Jürgen Rühe
• Novel Materials Systems for Applications in Biomimetic Architecture and Building Construction
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B, C und Demonstratoren.
  Principal Investigators: Prof. Dr. Thomas Speck und Prof. Dr. Jürgen Rühe

Kurzprojekte 2021 - abgeschlossen

• Adaptive Peptide Libraries
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A und B.
  Junior Research Group leader: Dr. Charalampos Pappas
• Photoswitchable G analogues for reversible DNA modulation
  Principal Investigator: Prof. Dr. Henning Jessen
• High-resolution multimaterial 3D Printing via 2-Photon Polymerization
  Principal Investigator: Prof. Dr. Bastian E. Rapp
• Fluorescence-assisted screening of spider-silk protein characteristics
  Principal Investigator: Prof. Dr. Ralf Reski
• Magnetic actuated actuators
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe
• Characterization and evaluation of 3D printing techniques for rapid prototyping of pneumatic biomimetic soft robotic gripper fingers
  Principal Investigator: Prof. Dr. Thomas Speck
• Demonstrator for two stimuli actuoators: change in humidity and temperature triggers AVFT system as initialization for further actuation
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe

Kurzprojekte 2020 - abgeschlossen

• Towards high-resolution polymorphic materials for information encoding and real-time volumetric assessment of material properties
  Principal Investigator: Prof. Dr. Bastian E. Rapp
• Interaction partners of FtsZ isoforms in Physcomitrella
  Principal Investigator: Prof. Dr. Ralf Reski
• Magnetically responsive Microstructures
  Principal Investigator: Prof. Dr. Jürgen Rühe
• Fiber Compound Connection
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Thomas Speck
• Lightweight Materials Systems
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche B und Demonstratoren.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Thomas Speck
• Force dependent barriers for sacrificial bonds in mecha-noresponsive materials.
  Principal Investigator: PD Dr. Michael Walter
• Hydrogenase-Electrode-Hybrids towards enzymatic proton production for ATP Synthases
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A und B.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Anna Fischer
• Porosity- and charge storage tailoring in mesoporous nitrogen doped carbon nanospheres
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A und B.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Anna Fischer
• Tuning the physicochemical properties of porous carbon materials as electrode materials for redox-flow batteries
  Kooperationsprojekt der Forschungsbereiche A und B.
  Principal Investigator: Prof. Dr. Anna Fischer