Materialerkenntnisse Fundamental! Winzige Metalltropfen erstarren zu Glas

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Metallische Gläser kristallisieren bei raschem Abkühlen nicht. Ihre Atome sorgen für ganz andere Eigenschaften als wenn das gleiche Material langsam abgekühlt wird. Forscher gehen dem auf den Grund.

Beim Werkstoff Glas denken die meisten Menschen eigentlich eher an Fensterscheiben, Trinkgläser oder Brillen als an Metalle. Doch in Wirklichkeit spielen die sogenannten metallischen Gläser – auch amorphe Metalle genannt – eine zunehmend große Rolle in der Wissenschaft und in der Technik, betonen Forscher der Universität des Saarlandes, die sich mit dieser Materialklasse beschäftigen. Metallschmelzen, die binnen Sekundenbruchteilen so weit heruntergekühlt werden, dass sie schnell erstarren, wirken, wie es weiter heißt, auf atomarer Ebene chaotisch und ungeordnet. Anders als Metallschmelzen, die langsam erstarren, bilden ihre Atome keine regelmäßige Kristallstruktur, sondern bleiben in etwa dort, wo sie während der Abkühlphase waren. Diese Unordnung im Aufbau verleihe dem Metallischen Glas Eigenschaften, die ganz anders sind als die der kristallinen Legierung. Metallischen Gläser sind zum Beispiel fester als Stahl, aber gleichzeitig elastisch wie Kunststoff, präzisieren die Wissenschaftler

Kleinere Proben frieren später ein! Sie tauen aber auch wieder eher auf

Was bei diesem sozusagen schockartigen Übergang von der schmelzeflüssigen in die feste Phase auf atomarer Ebene geschieht – man nennt die Grenze den „Glasübergang“, den es auch bei Kunststoffen gibt, erforscht Isabella Gallino seit vielen Jahren. Vor relativ kurzer Zeit konnte die Materialexpertin zum Beispiel mit einem Paradigma aufräumen, das bis dahin Gültigkeit in der Materialforschung hatte. Dabei geht es darum, dass eine Metallschmelze beim Glasübergang parallel zur Temperatur auch ihre Eigenschaften als Flüssigkeit verliert, wobei sie nach und nach die Eigenschaften eines Feststoffes annimmt. Dieser Effekt liege an der unterschiedlichen Größe der Atome. Denn während die großen Atome bereits eingefroren sind, bewegen sich die kleineren Atome nach wie vor und verschaffen der Legierung auch dann noch die Eigenschaften einer Flüssigkeit. Erst wenn auch diese bewegungslos sind, erstarrt die Flüssigkeit schließlich vollends zu einem Glas.

Das ist entscheidend für das Verständnis dafür, was die Wissenschaftlerin und ihre Kollegen herausgefunden haben: Je kleiner ein Metalltröpfchen im Experiment ist, desto länger kann es sich gegen das Einfrieren zum Glas quasi „wehren“. Das ist für Probendimensionen unterhalb von 10 Mikrometern wichtig. Denn es bedeutet nicht weniger, als dass eine kleinere Probe einer Legierung bei tieferen Temperaturen zu einem metallischen Glas erstarrt. Ein 10,8 Mikrometer großes Tröpfchen friert zig Grad über der Temperatur zu metallischem Glas ein, bei der eine rund 1,3 Mikrometer kleine Probe fest wird. Von tiefen Temperaturen kommend, bedeutet das nichts wiederum anderes, als dass kleineren Stücke aus einer amorphen Legierungen auch schneller wieder auftauen als größere. Das Material wird also eher wieder „flüssig“ und verliert seine Eigenschaften, die es als festes metallisches Glas hatte. Oberhalb von rund 10 Mikrometern nimmt der Effekt aber stark ab, wie die Saarländer anmerken. Dann verhalten sich Glas bildende Materialien sämtlicher Größenskalen wieder vollkommen gleich. Das Einfrieren und Auftauen am Glasübergang wird übrigens mit einem sogenannten Chip Kalorimeter (Flash DSC) gemessen, in dem man kleine Probenmengen mit sehr großen Kühl- und Heizraten untersuchen kann.

Neue Chancen für die Verbesserung bestehender Materialien

Dieser Effekt ist universell, wie Gallino herausgefunden hat. Denn er gilt nicht nur für metallische Legierungen sondern auch für alle anderen Materialien, die nicht kristallisieren, aber durch einen Glasübergang erstarren. Auch auf viele Stoffe im Universum trifft das zu, die in ihrer kondensierten Form oft amorphe Strukturen bilden, statt einer geordneten Kristallstruktur. Sogar Wasser, das auf der Erde in gefrorenem Zustand in der Natur eigentlich immer kristallin ist, ist etwa in Kometen bei weniger als -150 Grad Celsius fast ausschließlich „glasartig“ also in amorpher Form vorhanden. Wissenschaftlich betrachtet, ist der Glasübergang von einer Flüssigkeit zum Feststoff also ein fundamentaler Prozess.

Daher ist die Beobachtung von höchstem Interesse für viele Gebiete, wie man betont. Man denke zum Beispiel für die Halbleiterindustrie oder an Verbundwerkstoffe. Dabei gibt es viele Materialien, die auf Mikrometerebene miteinander verbunden sind. Weil man nun aber weiß, dass die Stoffe auf dieser Größenskala schneller in „Unordnung“ geraten und ihre Eigenschaften verlieren, je kleiner sie sind, kann man das dafür nutzen, um noch gezielter die Haltbarkeit von Materialien zu beeinflussen.

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