Glasklare Vorteile

Es sieht aus wie Metall, verhält sich aber anders. Die ungeordnete Atomstruktur macht metallisches Glas zu einem Material mit einzigartigen Eigenschaften.

Wenn die Diebstahlsicherung im Supermarkt lautstark um Beachtung schrillt, denkt man in der Regel nicht an Materialwissenschaft. Dabei schlägt in diesem Moment ein Streifen aus metallischem Glas Alarm, einem Material, das zurzeit so intensiv erforscht wird wie kaum ein anderes. Zum Beispiel von der Forschergruppe um Professor Franz Faupel an der Technischen Fakultät der CAU.

Zwar denkt man bei Glas an Fensterscheiben und teure Scherben, doch sind metallische metallische Gläser nicht durchsichtig. Sie sehen aus wie herkömmliches Metall. »Ein Materialwissenschaftler nennt einen Stoff glasförmig, wenn dessen Atome nicht in festen, regelmäßigen Abständen zueinander stehen, sondern sich völlig ungeordnet verteilen«, erklärt Faupel. »Aus dieser atomaren Unordnung resultieren einzigartige Eigenschaften, die in vielen Bereichen technisch angewendet werden können«, so der Professor für Materialwissenschaft.

Metallische Gläser sind um ein Vielfaches härter als herkömmlicher Stahl, lassen sich aber trotzdem schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen in Form spritzen und mit extremer Genauigkeit verarbeiten. So können metallische Gläser je nach Art zwischen 150 und 500 Grad Celsius ähnlich wie Plastik geformt werden. Zum Vergleich: Eisen schmilzt bei circa 1.500 Grad Celsius. Abhängig von der Zusammensetzung hat das »Supermaterial« weitere Vorteile: Es gibt korrosionsbeständige, aufschäumbare und sogar biologisch abbaubare metallische Gläser. Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsgebiete.

Das Problem ist allerdings die Herstellung. Zwar wurden Strategien und Stoffmischungen entwickelt, um metallische Gläser zu erzeugen. Doch wie der Vorgang genau funktioniert, war bislang unklar.

Um die zugrunde liegenden Mechanismen herauszufinden, untersucht die Arbeitsgruppe um Professor Faupel eine Mischung aus Palladium, Kupfer, Nickel und Phosphor. Wird diese Legierung geschmolzen, erstarrt sie auch bei langsamem Abkühlen in der gläsernen Unordnung. Warum die Atome sich in diesem Fall so leicht in die Unordnung bringen lassen, war bislang unbekannt. Zur Lösung dieses Rätsels analysierten die Forscher unter Leitung von Professor Klaus Rätzke, wie beweglich die einzelnen Atomsorten in der Legierung während des Abkühlens sind. Dabei entdeckten sie ein entscheidendes Phänomen, das die Atome daran hindert, geordnete Positionen einzunehmen: Die Palladiumatome, die größten Atome der Mischung, finden sich schnell zu einem relativ starren, ungeordneten Gerüst zusammen. Da es sich nur noch sehr langsam umarrangieren kann, genügt es, die Mischung langsam abzukühlen, um die flüssige Unordnung »einzufrieren«. »Dieser Mechanismus ist so bedeutend, da er von universeller Natur ist«, freut sich Rätzke. Deshalb fand die Untersuchung auch in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters Beachtung.

Die Kieler Materialwissenschaftler haben einen grundlegenden Mechanismus verstanden, durch den die Kristallisation einer abkühlenden Schmelze unterdrückt wird. »Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für die gezielte Verbesserung und Weiterentwicklung von metallischen Gläsern«, ergänzt Professor Faupel.

Björn Gojdka

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