Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kleinstkristalle zeigen überraschendes Verhalten

07.09.2004


Probe aus nanokristallinem Nickel: Das Prüfmuster (hier unter dem Elektronenmikroskop) ist ca. 2 mm lang und hat die Form eines Hundeknochens, damit man es in die Zugtestmaschine einspannen kann. Die nanokristalline Probe besteht aus Körnern, in denen die Atome regelmässig angeordnet sind. Im Quadrat ist ein Computer-Modell abgebildet, das solche Körner (grau) mit den Grenzflächen (blau-grün) stark vergrössert zeigt. Der erstaunliche Befund: Nach einer plastischen Verformung der Probe sind keine Deformationsspuren mehr zu erkennen. (Bild PSI)


Besonders fein strukturierte Metalle haben eine bemerkenswerte Eigenschaft: Anders als bei herkömmlichen Materialien hinterlassen hier Verformungen keine Deformationsspuren. Dieses verblüffende Verhalten von nanokristallinen Werkstoffen deckte ein Forschungsteam am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz auf. Mit einem neu entwickelten Zugtestgerät sowie einem speziellen Messsystem verfolgten die Wissenschaftler erstmals in Echtzeit das Geschehen im Innern solcher Metalle. Anhand der Resultate lassen sich die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen verbessern. Profitieren davon kann beispielsweise die Mikroelektronik mit stets raffinierteren Materialien für Computerchips, Airbag-Sensoren und miniaturisierte Maschinen.

... mehr zu:
»Echtzeit »Metall »Mikroelektronik »Probe

Wer Metalle plastisch verformt, hinterlässt Spuren: In den kleinen kristallinen Körnern, aus denen diese Materialien aufgebaut sind, entstehen durch äussere Kräfte mikroskopische Unregelmässigkeiten. Dies gilt jedoch nur, solange die Korngrösse über 50 Nanometer liegt, also grösser ist als 50 Millionstel-Millimeter. Was unter dieser Grenze passiert, wusste lange Zeit niemand so genau. "Die Theorie sagt voraus, dass in Nanokristallen keine solchen Unregelmässigkeiten entstehen", erklärt Helena Van Swygenhoven, Materialwissenschaftlerin am PSI. Diese Annahme konnte jedoch bislang noch niemand beweisen - zu klein waren die Proben und zu gering die potenziellen Veränderungen.

Nun gelang der Forschungsgruppe von Van Swygenhoven zum ersten Mal, in Echtzeit Veränderungen innerhalb der Nanokristalle zu beobachten. Wie zuvor eigene Computersimulationen gezeigt hatten, stiessen die Wissenschaftler dabei entgegen den theoretischen Vorhersagen auf ähnliche Prozesse wie bei grösseren Strukturen - jedoch mit einem entscheidenden Unterschied: Die dabei entstehenden linienförmigen Fehlordnungen durchqueren das ganze Korn und verschwinden wieder. Den Kristallen ist die plastische, das heisst irreversible Verformung nachträglich also nicht mehr anzusehen. Dieser überraschende Befund des PSI-Teams hat in der Fachwelt viel Aufmerksamkeit erregt und führte vor kurzem zu zwei Veröffentlichungen in den prestigeträchtigen Wissenschaftszeitschriften "Science" und "Nature".


Hundeknochen aus Nanomaterial

Um die Materialverformung unter standardisierten Bedingungen zu prüfen, bauten die Materialforscher zuerst eine Zugtestmaschine, in der sie die nur wenige Millimeter kleinen Proben prüfen können. Damit man die Prüfmuster ins Gerät einzuspannen vermag, müssen sie die Form eines Hundeknochens haben. Den eigentlichen Einblick in die kleinen Strukturen verschaffen sich die Wissenschaftler mit der hoch intensiven Röntgenstrahlung aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), einem Teilchenbeschleuniger für Elektronen. Die stark gebündelte Strahlung wird dabei von der Kristallstruktur der Körner abgelenkt und danach von einem speziellen Detektor aufgefangen. Aufgrund der Ablenkung der Strahlung lassen sich Veränderungen in der Struktur der Proben nachweisen. "Der Detektor ist weltweit einmalig und ermöglicht uns die Messungen in Echtzeit", sagt Van Swygenhoven.

Für die nächste Generation der Mikroelektronik

Die Arbeiten der Materialforschungsgruppe am PSI sind ein wichtiger Schritt für die nächste Generation der Mikroelektronik: Sie liefern die Grundlagen zum Verständnis der Materialeigenschaften von metallischen Bauteilen in mikroelektromechanischen Systemen. Solche so genannten MEMS sind winzige Sensoren, Ventile oder Motoren, die in Halbleiter-Chips eingebunden sind. Sie dienen beispielsweise in Airbags als Bewegungsmelder, die nicht dicker sind als ein menschliches Haar. Auch Entwickler neuartiger Werkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften profitieren künftig von den PSI-Messungen. So sind im Flugzeugbau harte und gleichzeitig verformbare Materialien gesucht. Unterstützt wird die Forschung am PSI vom Schweizerischen Nationalfonds.

Für weitere Auskünfte:

Dr. Helena Van Swygenhoven, Gruppe Materialforschung und Simulation, PSI
Tel. +41 (0)56 310 29 31; helena.vs@psi.ch

Beat Gerber | idw
Weitere Informationen:
http://www.psi.ch

Weitere Berichte zu: Echtzeit Metall Mikroelektronik Probe

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Blattkäfer: Schon winzige Pestizid-Dosis beeinträchtigt Fortpflanzung
26.07.2017 | Universität Bielefeld

nachricht Akute myeloische Leukämie (AML): Neues Medikament steht kurz vor der Zulassung in Europa
26.07.2017 | Universitätsklinikum Ulm

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Robuste Computer für's Auto

26.07.2017 | Seminare Workshops

Läuft wie am Schnürchen!

26.07.2017 | Seminare Workshops

Leicht ist manchmal ganz schön schwer!

26.07.2017 | Seminare Workshops