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Glasübergang: Wechsel von flüssig zu fest untersucht Atomares Durcheinander in erstarrenden Metallschmelzen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Wenn Metallschmelzen rasch abgekühlt werden, haben die Atome keine Zeit, sich in ihr Kristallgitter anzuordnen. Es entstehen so genannte metallische Gläser – amorphe Materialien mit völlig anderen Eigenschaften als die kristallinen Metalle. Ein internationales Team aus Materialwissenschaftlern hat nun die Atome beim Erstarren genau verfolgt und neue Erkenntnisse über die herrschende Unordnung bei diesem Vorgang gewonnen.

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Wird eine Metallschmelze rasch abgekühlt, entsteht ein amorphes metallisches Glas mit völlig anderen Eigenschaften (Symbolbild).
Wird eine Metallschmelze rasch abgekühlt, entsteht ein amorphes metallisches Glas mit völlig anderen Eigenschaften (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, Erdenebayar / Pixabay )

Saarbrücken – Bei Gläsern denken die meisten Menschen an ihre Fensterscheiben, ihre Trinkgläser oder ihre Brillen. An Metalle denken dabei wohl nur Materialwissenschaftler. Denn die so genannten metallischen Gläser oder amorphen Metalle spielen eine zunehmend große Rolle in deren Fachgebiet wie auch in der Technologie.

Metallische Gläser sind Legierungen, die bei schnellem Abkühlen nicht kristallisieren. Sie entstehen, wenn man Metallschmelzen binnen Sekundenbruchteilen bis zum Erstarren herunterkühlt. Auf atomarer Ebene wirken diese Legierungen chaotisch und ungeordnet: Ihre Atome bilden keine regelmäßige Kristallstruktur wie bei langsam erstarrten Metallschmelzen, sondern bleiben in etwa dort, wo sie während der Abkühlphase in der Schmelze bereits waren. Die resultierende Unordnung im Aufbau verleiht dem metallischen Glas Eigenschaften, die ganz anders sind als in einer herkömmlichen kristallinen Legierung derselben Ausgangsstoffe. Metallische Gläser können zum Beispiel fest wie Stahl, aber gleichzeitig elastisch wie Kunststoff sein.

Bildung amorpher Feststoffe

Die meisten Stoffe im Universum sind amorphe Strukturen, bilden im physikalischen Sinne also eher ein „Durcheinander“ statt einer geordneten Kristallstruktur. Selbst Wasser, das auf der Erde in gefrorenem Zustand in der Natur eigentlich immer kristallin ist, ist im gesamten Universum, zum Beispiel in Kometen, bei unter -150 °C fast ausschließlich „glasartig“ bzw. amorph vorhanden. Wissenschaftlich betrachtet ist dieser so genannte „Glasübergang“ von einer Flüssigkeit zum Feststoff also ein fundamentaler Prozess.

„Wie dieser Glasübergang allerdings genau funktioniert, ist nach wie vor nicht wirklich verstanden“, sagt Isabella Gallino. Die Materialforscherin von der Universität des Saarlandes hat gemeinsam mit Kollegen aus Spanien und Deutschland nun erforscht, was in der Zeitspanne vom flüssigen in den festen Zustand auf atomarer Ebene am Glasübergang genau passiert.

Goldlegierung zwischen flüssig und fest

Für die Analyse des Glasübergangs haben Gallino und ihre Kollegen die unterkühlte Schmelze einer speziellen Goldlegierung mit brillianter und kohärenter Röntgenstrahlung durchleuchtet, während sie von rund 150 °C (flüssig) auf etwa 115 °C (glasartig) „eingefroren“ wird. Die Atome der Legierung verraten dabei, wie ihre Beweglichkeit abnimmt.

Parallel dazu wurde mit einem neuartigen „Flash-Kalorimeter“, mit dem extrem hohe Heiz-, und Kühlraten realisiert werden können, der Einfrierprozess selbst untersucht. Was in diesem „Glasübergangsbereich“ passiert, konnte bisher niemand ganz genau sagen. „In diesem großen Bereich von Heiz- und Kühlraten ist das bisher noch niemandem gelungen“, sagt Gallino. Vor zehn Jahren wäre diese Art von Untersuchungen schon aus technischen Gründen gescheitert: Weder hatten die Wissenschaftler damals die Möglichkeit, das Material mit hoch brillanter Röntgenstrahlung zu durchleuchten, noch gab es das kalorimetrische Verfahren, bei dem Umwandlungen eines Stoffes mit Raten von bis zu 100.000 Grad pro Sekunde registriert werden können. Beides ist heute möglich und half Gallino bei ihrer Forschung.

Beweglichkeit kleiner Atome bringt Paradigmenwechsel

Die Ergebnisse der Wissenschaftler haben gezeigt, dass es beim Glasübergang noch chaotischer zu geht, als angenommen. „Bisher ist man immer davon ausgegangen, dass mit der Abnahme der atomaren Beweglichkeit in gleichem Maße die Eigenschaften der Flüssigkeit ab- und die des Feststoffes zunehmen. Diese Eins-zu-eins-Korrelation ist allerdings nicht ganz korrekt“, sagt Gallino. Damit sei ein lange geltendes Paradigma der Materialforschung widerlegt.

Der Grund für die fehlende Eins-zu-eins-Korrelation zwischen Atombeweglichkeit und Aggregatzustand liege in der unterschiedlichen Größe der Atome, aus denen die Schmelze besteht. „Während die großen Atome wie die Goldatome schon eingefroren sind, können sich die kleinen Atome wie Silizium noch bewegen und sich ‚zurechtruckeln‘“, beschreibt Gallino. Dieses kollektive Fließen führe dazu, dass die globale Beweglichkeit zu diesem Zeitpunkt immer noch vorhanden ist, sodass sich das Material noch wie eine Flüssigkeit verhält. Erst wenn auch die kleineren Atome einfrieren, erstarrt die Flüssigkeit schließlich vollends zu einem Glas.

Originalpublikation: X. Monnier, D. Cangialosi, B. Ruta, R. Busch, I. Gallino: Vitrification decoupling from α-relaxation in a metallic glass, Sci. Adv.6, eaay1454 (2020); DOI: 10.1126/sciadv.aay1454

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