Die meisten Menschen, die das Wort „Brille“ hören, denken wahrscheinlich an Trinkbrillen oder Korrekturbrillen. An Metalle wird kaum jemand denken. Aber auch metallische Gläser, auch „amorphe Metalle“ genannt, spielen sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Technik eine immer wichtigere Rolle.
Wenn Metallschmelzen so schnell abgekühlt werden, dass sie innerhalb von Sekundenbruchteilen erstarren, bleiben sie auf atomarer Ebene chaotisch und ungeordnet. Wären sie langsam abgekühlt worden, hätten die Atome Zeit gehabt, sich neu anzuordnen und eine geordnete Kristallgitterstruktur zu bilden, aber schnelles Abkühlen bedeutet, dass sich die Atome in der ungeordneten flüssigen Schmelze nicht schnell genug neu anordnen können und im Wesentlichen an ihrer Position eingefroren sind.
Diese atomare Unordnung verleiht diesen „Nichtgleichgewichts“-Metallgläsern Eigenschaften, die sich deutlich von denen der geordneten kristallinen Legierung unterscheiden. Metallgläser können stärker als Stahl sein und gleichzeitig die Elastizität eines Polymers aufweisen.
Was auf atomarer Ebene beim „Glasübergang“ passiert – dem plötzlichen Übergang von der flüssigen in die feste Glasphase –, untersucht Isabella Gallino seit vielen Jahren. Vor einigen Jahren gelang es der Materialwissenschaftlerin Gallino, ein weithin akzeptiertes Paradigma in ihrem Fachgebiet aufzulösen.
Die gängige Meinung war, dass bei einem Glasübergang in einer Metallschmelze das Material seine Eigenschaften im flüssigen Zustand verliert und gleichzeitig seine Eigenschaften im festen Zustand erlangt. Gallino zeigte, dass dies nicht der Fall ist und erklärte das Verhalten mit der unterschiedlichen Größe der beteiligten Atome.
Wenn die großen Atome bereits gefroren und im Wesentlichen unbeweglich sind, können sich die kleineren Atome noch bewegen und der Legierung daher immer noch flüssige Eigenschaften verleihen. Erst wenn die kleineren Atome schließlich gefrieren, verglast die Flüssigkeit vollständig zu einem Glas.
Diese Tatsache ist entscheidend für das Verständnis einer aktuellen Beobachtung, die Dr. Isabella Gallino, ihr Kollege Professor Ralf Busch und mehrere seiner Doktoranden (alle an der Universität des Saarlandes) in Zusammenarbeit mit Daniele Cangialosi vom Materials Physics Center, San Sebastián, Spanien, gemacht haben als Kollegen aus den USA.
Je kleiner das Metalltröpfchen im Experiment ist, desto länger kann es dem Einfrieren in den Glaszustand „widerstehen“. Das Team zeigte, dass dies bei Probengrößen unter zehn Mikrometern besonders ausgeprägt ist. Vereinfacht ausgedrückt erfordert eine kleinere Probe einer Legierung niedrigere Temperaturen, bevor sie zu einem metallischen Glas erstarren kann. Die Temperatur, bei der ein 10,8 Mikrometer großes Tröpfchen zu metallischem Glas gefriert, liegt etwa 40 Grad Kelvin höher als die Temperatur, bei der ein 1,3 Mikrometer großes Tröpfchen erstarrt.
Ralf Busch fasste diese Erkenntnis wie folgt zusammen: „Wenn wir das Material von einer niedrigen Temperatur aus erwärmen, tauen kleinere Stücke amorpher Legierungen früher auf als größere.“ Das Material wird wieder „flüssig“ und verliert die Eigenschaften, die es als festes metallisches Glas hatte. Allerdings nimmt der beobachtete Effekt bei Probengrößen über etwa 10 Mikrometer stark ab.
Oberhalb dieser Schwelle gibt es keinen dimensionsabhängigen Unterschied im Verhalten glasbildender Materialien. Die Gefrier- und Auftauprozesse in der Glasübergangszone wurden mit einem Gerät namens Flash-DSC-Chipkalorimeter gemessen, das die Untersuchung kleiner Probenmengen unter Bedingungen sehr schneller Abkühlung und Erwärmung ermöglicht.
„Der Effekt, den wir beobachtet haben, ist universell“, kommentierte Isabella Gallino die weitreichenden Auswirkungen ihrer Entdeckung. Dieses Phänomen gilt nicht nur für Metalllegierungen, sondern auch für alle anderen Materialien, die zu Glas erstarren, anstatt zu kristallisieren. Und es sind zahlreiche Stoffe bekannt, die in ihrem kondensierten Zustand eher eine amorphe als eine geordnete kristalline Struktur bilden.
Sogar Wasser, das hier auf der Erde im gefrorenen Zustand eine regelmäßige Kristallstruktur aufweist, ist im weiteren Universum glasig oder amorph, wie zum Beispiel das Wasser, das in Kometen bei Temperaturen unter -150 °C vorkommt. Aus wissenschaftlicher Sicht ist der Prozess der Vitrifikation – der Glasübergang vom flüssigen in den amorphen festen Zustand – von grundlegendem Interesse.
Deshalb sind die Beobachtungen von Isabella Gallino, Ralf Busch und ihren internationalen Kollegen in vielen Bereichen wie der Halbleiterindustrie oder der Verbundwerkstoffbranche von großem Interesse. Viele der Materialien in diesen Branchen sind auf Mikrometerebene miteinander verbunden.
Dank der Arbeit von Gallino, Busch und anderen wissen wir jetzt, dass Materialien dieser Größenordnung umso schneller „ungeordnet“ werden und somit ihre Eigenschaften verlieren, je kleiner sie sind. Materialwissenschaftler können diese Informationen künftig nutzen, um die Haltbarkeit von Materialien gezielt zu beeinflussen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Valerio Di Lisio et al, Größenabhängige Vitrifikation in Metallgläsern, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40417-4