Die Frage, wie sich Metalle verformen oder auf äußere Belastungen reagieren, wird von Metallurgen seit Jahrhunderten eingehend untersucht. Wenn es um herkömmliche Metalle geht – die kristalline Art mit Atomen, die in sauberen Mustern aufgereiht sind – ist der Prozess ziemlich gut verstanden. Aber für die Verformung von Metallgläsern und anderen amorphen Metallen gab es bisher keine einfachen Antworten, insbesondere wenn es darum geht, wie die Dinge im Nanomaßstab funktionieren.
In einer neuen Studie untersucht Prof. Jan Schroers die physikalischen Besonderheiten des Verhaltens dieser Metalle bei sehr kleinen Größen – Erkenntnisse, die zu neuen Wegen zur Herstellung metallischer Gläser führen könnten. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Naturkommunikation.
Materialien mit der Festigkeit von Metall, aber mit der Biegsamkeit von Kunststoff: Metallgläser werden für ein breites Anwendungsspektrum entwickelt: Luft- und Raumfahrt, Robotik, Unterhaltungselektronik, Sportartikel und biomedizinische Anwendungen.
Diese Materialien verdanken ihre Eigenschaften ihren einzigartigen Atomstrukturen: Wenn metallische Gläser vom flüssigen zum festen Zustand abkühlen, ordnen sich ihre Atome zufällig an und kristallisieren nicht wie herkömmliche Metalle. Es ist jedoch schwierig, die Kristallisation von Atomen zu verhindern, und Erkenntnisse über ihre Funktionsweise könnten einen großen Beitrag zu einer effizienteren Herstellung von Metallglas leisten.
„Um die Herstellung und Verwendung amorpher Metalle voranzutreiben, ist ein grundlegendes und vollständiges Verständnis ihrer größen- und temperaturabhängigen Verformung erforderlich“, schreiben die Autoren der Studie.
In den letzten Jahrzehnten wurde nachgewiesen, dass sich Atome auf makroskopischer Ebene massenhaft bewegen, wenn sie sich bei Temperaturen verformen, die einen Fluss ermöglichen.
„Sie verformen sich auf kollektive Weise, fast wie Honig“, sagte Schroers, Robert-Higgin-Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften. „Man sieht, wie sich alle diese Atome gemeinsam bewegen.“
Doch was passiert, wenn sich nanoskalige Proben verformen? Das Schroers-Labor beschloss, dies herauszufinden, indem es Proben aus Zirkoniumkupfer und anderen metallischen Glasproben in weichem Zustand verwendete.
„Naijia Liu, der Doktorand in meinem Labor, hat immer kleinere Proben hergestellt und irgendwann konnte er zeigen, dass sie sich nicht mehr auf diese Weise verformen“, sagte Schroers. Bei Probengrößen von 100 Nanometern oder weniger begannen die Dinge von den Standardregeln abzuweichen.
Sie fanden heraus, dass sich die chemische Zusammensetzung der Proben bei dieser Größe nie ändern würde, wenn sich die Atome weiterhin gemeinsam bewegen würden. Stattdessen bewegten sich die Atome einzeln und ab einem bestimmten Punkt begann sich das Metall schnell zu verformen.
„Wenn man also immer kleiner wird, fließen die Atome nicht mehr. Stattdessen bewegen sie sich einzeln über die Oberfläche.“
Das ist von Bedeutung, da sich Atome bekanntermaßen auf der Oberfläche kristalliner Materialien schneller bewegen. Je kleiner die Probe ist, desto größer ist der Anteil des Materials auf oder in der Nähe einer Oberfläche. Um sich zu verformen, legen Atome eine zusätzliche Strecke zurück, indem sie einen so schnellen Oberflächenweg nutzen, dass eine allgemein schnellere Verformung möglich ist. Es ist ein Einblick in einen Bereich der Physik, der noch viele offene Fragen hat.
„Wir wissen im Wesentlichen alles über Kristalle und wir wissen im Wesentlichen alles über Gase“, sagte Schroers. „Aber in der wissenschaftlichen Gemeinschaft kennen wir den Flüssigkeitszustand nicht gut. Die Dinge bewegen sich zu schnell, sodass Beobachtungsmethoden eine Herausforderung darstellen, und da die Ordnung in einer Flüssigkeit nicht periodisch ist, können wir das Problem nicht auf eine kleinere Einheit reduzieren.“ .“
Das Labor von Schroers konzentriert sich derzeit darauf, welche Legierungen für die Herstellung metallischer Gläser mit dieser Methode am vielversprechendsten sind. „Die Legierung sollte aus ähnlichen Elementen bestehen, aber nicht zu ähnlich, da sonst die Schablone, auf der sie wachsen, nicht zu einem Glas geformt werden kann“, sagte Schroers.
Neben der wissenschaftlichen Bedeutung ihrer neuen Erkenntnisse habe die Studie laut Schroers auch eine Bedeutung auf technologischer Ebene. Anstelle der derzeitigen Technik, die Kristallisation durch sehr schnelles Abkühlen zu vermeiden, bieten diese Erkenntnisse den Forschern eine neuartige Methode, um metastabile Materialien langsam zu züchten. Zu diesen Materialien gehören Metallgläser und sogar andere, die mit anderen Techniken bisher nicht hergestellt werden konnten.
Mehr Informationen:
Naijia Liu et al., Größenabhängiges Verformungsverhalten in nanoskaligen amorphen Metallen, was auf einen Übergang vom kollektiven zum individuellen Atomtransport hindeutet, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41582-2