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Materialwissenschaft

Material-Falten auf mikroskopischer Ebene bringen neue Eigenschaften

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Es wirkt ein bisschen wie Zauberei, ist jedoch reine Wissenschaft: Materialforscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben herausgefunden, wie man durch gezieltes Falten auf mikroskopischer Ebene einem Material völlig neue Eigenschaften geben kann. Lesen Sie, warum die Wissenschaftler für ihre Arbeiten u.a. Gamepads verwendeten.

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Plastische Verformung von Materialien wird durch feine atomare Kristallbaufehler ermöglicht, die man Versetzungen nennt. FAU-Forscher haben nun einen Weg gefunden, diese Defekte mit einer feinen Spitze direkt anzufassen und gezielt zu bewegen mithilfe einer Kombination von Elektronenmikroskop und winzigen, hochsensitiven Roboterarmen.
Plastische Verformung von Materialien wird durch feine atomare Kristallbaufehler ermöglicht, die man Versetzungen nennt. FAU-Forscher haben nun einen Weg gefunden, diese Defekte mit einer feinen Spitze direkt anzufassen und gezielt zu bewegen mithilfe einer Kombination von Elektronenmikroskop und winzigen, hochsensitiven Roboterarmen.
(Bild: Peter Schweizer)

Erlangen – Dass Metalle sich verformen lassen ohne gleich zu zerbrechen, ist weit bekannt – obwohl sie eine kristalline Struktur besitzen wie sehr spröde Stoffe wie Salz oder Kandiszucker. Man nennt diese an sich unerwartete Verformbarkeit auch Plastizität. Erst in den 1940er Jahren des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler die Ursache hierfür gefunden: Verantwortlich sind feine Kristallbaufehler auf atomarer Ebene, so genannte Versetzungen. Diese kann man sich wie winzige Teppichfalten vorstellen, die sich auch wie echte Teppichfalten verschieben lassen. Wenn ein Metall verformt wird, wandern Millionen und Abermillionen solcher winzigen Falten – Versetzungen – durch den Werkstoff. Versetzungen machen also im Grunde viele technische Prozesse wie Walzen oder Schmieden erst möglich, sie spielen aber auch im Alltag eine wichtige Rolle: So wandeln Versetzungen in der Knautschzone von Autos Bewegungsenergie um, indem sie das Metall verformen – und so Leben retten!

Gezielt mikroskopische Falten erzeugen

Wissenschaftler an der der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Prof. Dr. Erdmann Spiecker haben nun am Beispiel von Graphen eine Möglichkeit gefunden, einzelne solcher Versetzungen direkt anzufassen und zu bewegen. Die Forscher um Professor Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung der FAU ebnen damit den Weg für neuartige Entwicklungen in diesem Bereich mit noch ungeahnten Möglichkeiten, Einfluss auf die Eigenschaften des Materials zu nehmen. Schon vor fünf Jahren hatte eine interdisziplinäre Gruppe von FAU-Wissenschaftlern die Versetzungen in sogenanntem Bilagen-Graphen, ein Stoff, der lediglich aus zwei Atomlagen Kohlenstoff besteht, gefunden und darüber in wichtigen wissenschaftlichen Magazinen berichtet. „Als wir die Versetzungen in Graphen entdeckten, wussten wir schon, dass wir ein ideales Modellsystem für die Erforschung von Plastizität gefunden hatten“, erklärt Prof. Spiecker. Dem Team war klar, dass es dafür nicht mehr ausreicht, die winzigen Versetzungen nur sichtbar zu machen. Vielmehr musste ein Weg gefunden werden, direkt mit ihnen zu interagieren.

Das Mikroskop als Nano-Werkbank

Um Versetzungen abbilden zu können, steht den Forschern der FAU ein mächtiges Mikroskop zur Verfügung, dass die Experten im Bereich der Elektronenmikroskopie ständig weiterentwickeln. „Während der letzten drei Jahre haben wir unser Mikroskop mit immer neuen Möglichkeiten ausgestattet und sozusagen zu einer Werkbank auf der Nanoskala aufgerüstet“, sagt Doktorand Peter Schweizer, der die mikroskopischen Analysen zusammen mit seinem Kollegen Christian Dolle durchgeführt hat. „Dadurch können wir Nanostrukturen nicht nur sehen, sondern mit ihnen gleichzeitig direkt interagieren. Zum Beispiel haben wir die Möglichkeit, sie mechanisch zu verschieben, definiert zu erwärmen oder ein elektrisches Potenzial anzulegen“. Herzstück des Geräts sind kleine Roboterarme, die mit der Genauigkeit eines Millionstel Millimeters positioniert werden können. Bestückt man diese Arme mit feinen Nadeln, können diese auf die Probenoberfläche abgesenkt werden. Doch wie kontrolliert man Roboter mit solcher Genauigkeit?

Verformung mit Fingerspitzengefühl

Die Wissenschaftler verwenden Gamepads, wie sie auch zur Steuerung von Computerspielen eingesetzt werden. „So einen kleinen Roboterarm kann man nicht einfach mit der Tastatur steuern, da braucht man etwas, das intuitiver ist“, erklärt Dolle. „Es dauert eine Weile bis man es wirklich beherrscht, aber dann ist tatsächlich das Manipulieren von einzelnen Versetzungen möglich.“

Forschung kann Spaß machen: Christian Dolle, Peter Schweizer und Prof. Dr. Erdmann Spiecker (von links nach rechts) beim anipulieren von Versetzungen an ihrer Nano-Werkbank, einem erweiterten Elektronenmikroskop.
Forschung kann Spaß machen: Christian Dolle, Peter Schweizer und Prof. Dr. Erdmann Spiecker (von links nach rechts) beim anipulieren von Versetzungen an ihrer Nano-Werkbank, einem erweiterten Elektronenmikroskop.
(Bild: Mingjian Wu)

Anfänglich waren die Forscher überrascht, wie resistent Graphen gegenüber mechanischer Belastung ist. „Wenn man darüber nachdenkt, sind es ja nur zwei Lagen von Kohlenstoffatomen, auf die wir da eine scharfe Spitze drücken“, sagt Peter Schweizer. Die meisten Materialien würden das nicht aushalten, aber Graphen ist Weltrekordhalter in mechanischer Beständigkeit. Das ermöglichte es den Forschern, die Oberfläche des Materials mit einer feinen Wolframspitze zu berühren und Versetzungen hin- und herzuschieben. Nur mithilfe dieser Technik konnten die Wissenschaftler grundlegende Theorien von Versetzungen bestätigen, aber auch ganz neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich Versetzungen gegenseitig beeinflussen und miteinander reagieren.

Ausstattung und interdisziplinäre Forschung als Schlüssel des Erfolgs

Einer der entscheidenden Faktoren für den Erfolg war die herausragende Ausstattung der FAU im zentralen Labor für hochauflösende Mikroskopie, dem Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM). „Ohne modernste Ausstattung und die Freiheit, neue Dinge auszuprobieren, ist solche Spitzenforschung nicht möglich“ betont Prof. Spiecker. Als Sprecher des CENEM hofft er, die Möglichkeiten der Mikroskopie in Zukunft noch weiter ausbauen zu können. Hierbei sei die exzellente interdisziplinäre Zusammenarbeit, für die die Erlanger Materialforschung bekannt ist, extrem wichtig. So profitierten die Forschungsarbeiten direkt von der Wechselwirkung zweier Verbundprojekte, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert werden: dem Sonderforschungsbereich SFB 953 „Synthetische Kohlenstoffallotrope“ und dem Graduiertenkolleg GRK 1896 „In situ Mikroskopie mit Elektronen, Röntgenstrahlen und Rastersonden“.

Originalpublikation: P. Schweizer, C. Dolle and E. Spiecker, In situ Manipulation and Switching of Dislocations in Bilayer Graphene, Science Advances (2018), Vol. 4, no. 8, eaat4712; DOI: 10.1126/sciadv.aat4712

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