Definition: Das sind Metamaterialien

Metamaterialien sind künstlich entwickelte Werkstoffe, deren innere Strukturen auf Mikro- und Nanoskala präzise in drei Dimensionen gestaltet werden, um außergewöhnliche physikalische Eigenschaften zu erzeugen, die in natürlichen Materialien nicht vorkommen [49]. Durch diese gezielte Strukturierung lassen sich Licht, Schall, Wärme oder mechanischer Druck auf neuartige Weise beeinflussen und steuern.

Da ihre Eigenschaften nicht allein durch chemische Zusammensetzung, sondern vor allem durch ihre geometrische Struktur bestimmt werden, eröffnen Metamaterialien völlig neue Möglichkeiten in der Werkstofftechnik [50]. Sie können ultraleicht und gleichzeitig extrem stabil, hoch elastisch oder thermisch isolierend sein. Damit eignen sie sich besonders für Anwendungen in den Bereichen Mobilität, Luft- und Raumfahrt, Energie und Bauwesen, wo Vibrationsdämpfung, Geräuschreduktion und Wärmemanagement von zentraler Bedeutung sind [51].

Allerdings befindet sich die Entwicklung bislang noch im experimentellen Stadium. Viele der beschriebenen Eigenschaften sind bisher überwiegend im Labor nachgewiesen, ihre Übertragungin industrielle Maßstäbe bleibt technisch wie wirtschaftlich herausfordernd. Der Schritt von der Grundlagenforschung zur praxisnahen Anwendung wird voraussichtlich noch Zeit benötigen.

Der Trend: Vom Labor in die Praxis

Die Ursprünge der Metamaterialforschung reichen in die 1960er-Jahre zurück, als erstmals theoretische Modelle zu Materialien mit „negativem Brechungsindex“ veröffentlicht wurden [52]. Den praktischen Durchbruch ermöglichten jedoch erst moderne Nanofabrikationstechnologien um die Jahrtausendwende, als Forschende erstmals Mikrostrukturen herstellen konnten, die elektromagnetische Wellen gezielt beugen und dämpfen [53].

Seit den 2010er-Jahren hat sich die Entwicklung rasant beschleunigt: Fortschritte in 3D-Druck, Lithographie und Simulation führten zu einer breiten Palette elektromagnetischer, akustischer und mechanischer Metamaterialien. Forschungsinstitute wie das ILEK an der Universität Stuttgart arbeiten an adaptiven Strukturen und Materialsystemen für nachhaltige Bauwerke, während das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) neuartige mechanische Metamaterialien mit besonders hoher elastischer Energiedichte für die Fahrzeugtechnik, Robotik oder den Energiesektor entwickelt [54].

In der mittelfristigen Perspektive werden Fortschritte in additiver Fertigung und KI-gestütztem Materialdesign entscheidend. Diese Technologien ermöglichen es, metamaterielle Strukturen zu simulieren, zu optimieren und künftig skalierbar herzustellen [12]. In der Automobilindustrie könnten akustische und mechanische Metamaterialien Gewicht reduzieren und Geräusche dämpfen; in der Energiebranche erhöhen metamaterielle Oberflächen die Effizienz von Photovoltaik- und Wärmetauschsystemen [55, 56].

Langfristig wird sich der Trend zu multifunktionalen, selbstadaptiven Materialien verstärken. Bis 2035 könnten Metamaterialien als strategische Basistechnologie etabliert sein – vergleichbar mit der Rolle von Halbleitern in den 1980er-Jahren [57]. Voraussetzung ist jedoch, dass Fertigung, Standardisierung und Nachhaltigkeit parallel weiterentwickelt werden.

Metamaterialien als Ersatz für Seltene Erden?

Seltene Erden sind zentrale Rohstoffe für Hochleistungsmagnete, Katalysatoren und Elektronik. China dominiert mit über 65 % Anteil (Stand 2024) den weltweiten Markt [118]. Diese geopolitische Abhängigkeit hat das Interesse an Metamaterialien als potenzielle Ersatzstoffe verstärkt. Forschende der Universitäten Leeds und Cambridge konnten durch gezielte molekulare Strukturierung magnetische Ersatzmaterialien entwickeln, etwa Kobalt-Kohlenstoff-Hybride oder das meteoriten-ähnliche Tetrataenit [119, 120].

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Quellen:

[49] Karlsruhe Institute of Technology (KIT), „Metamaterials: Highly twisted rods store large amounts of energy. KIT Press Release.,“ KIT, 2025. [Online]. Available: www.kit.edu/kit/english/pi_2025_024_metamaterials-highly-twisted-rods-store-large-amounts-of-energy.php. [Zugriff am 06 10 2025].
[50] University of Stuttgart, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), „Nachhaltige Forschung: Materialien und adaptive Strukturen,“ [Online]. Available:
www.f02.unistuttgart.de/nachhaltigkeit/nachhaltige-forschung/ilek/. [Zugriff am 30 09 2025].
[51] European Commission, „Horizon Europe – Advanced Materials for a Green and Digital Future,“ Publications Office of the EU, Brussels, 2023.
[52] V. G. Veselago, „The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Physics-Uspekhi,“ SOVIET PHYSICS USPEKHI, Bd. 10, Nr. 4, pp. 509-514, 1968.
[53] D. Smith, J. Pendry und M. Wiltshire, „Metamaterials and negative refractive index,“ Science, p. 788–792, 2004.
[54] KIT, „Metamaterials: Highly twisted rods store large amounts of energy. KIT Press Release,“ Karlsruhe Institute of Technolog, 2025. [Online]. Available: www.kit.edu/kit/english/pi_2025_024_metamaterials-highly-twisted-rods-store-large-amounts-of-energy.php.
[55] L. Yee, M. Chui, R. Roberts und S. Smit, „Technology Trends Outlook 2025. McKinsey Digital,“ McKinsey & Company, 2025. [Online]. Available: www.mckinsey.com/capabilities/tech-and-ai/our-insights/the-top-trends-in-tech.
[56] F. Mir, D. Mandal und S. Banerjee, „Metamaterials for Acoustic Noise Filtering and Energy Harvesting,“ Sensors, 2023.
[57] European Commission, „Strategic Research and Innovation Agenda for Advanced Materials 2030,“ European Materials Modelling Council, Brussels, 2024.
[118] Clean Energy Wire, „Germany slightly reduced rare earth reliance on China in 2024, export controls loom,“ 2025. [Online]. Available: www.cleanenergywire.org/news/germany-slightly-reduced-rare-earth-reliance-china-2024-export-controls-loom.
[119] University of Leeds, „Breakthrough magnet produced from sustainable materials. University of Leeds.,“ 2020. [Online]. Available: eps.leeds.ac.uk/faculty-engineering-physical-sciences/news/article/5624/breakthrough-magnet-produced-from-sustainable-materials.
[120] University of Cambridge, „Scientists develop scalable production method for rare-earth-free magnetic alloy Tetrataenite,“ 2022. [Online]. Available: www.cam.ac.uk/research/news/new-approach-to-cosmic-magnet-manufacturing-could-reduce-reliance-on-rare-earths-in-low-carbon.