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Materialforschung mit Antiteilchen: Dem Geheimnis nanokristalliner Materialien auf der Spur

29.11.2010
Bestimmte Defekte in der Materialstruktur sind dafür verantwortlich, dass neuartige nanokristalline Massivmetalle gleichzeitig sehr hart und trotzdem gut verformbar sind.

Da diese Defekte auf der atomaren Ebene der Metallstruktur vorkommen, sind sie experimentell schwer untersuchbar. Jetzt sind österreichische ForscherInnen im Verständnis dieser atomaren Defekte einen wesentlichen Schritt weitergekommen.


Bei nanokristallinen Massivmetalle sollte keine Ordnung herrschen. Defekte in ihrer Kristallstruktur tragen zu ihren ungewöhnlichen Eigenschaften bei. Wolfgang Sprengel

Gelungen ist dieser Schritt in einem vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützten Projekt durch Kombination zweier spezieller Methoden. Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Sie sind außerordentlich hart und lassen sich dennoch leicht verformen. Mit diesen besonderen Merkmalen werfen die sogenannten nanokristallinen Massivmetalle für die Physik viele Fragen auf. Nun ist es ForscherInnen an der TU Graz gelungen, einige der Fragen experimentell zu beantworten.

Die WissenschafterInnen stellten sich der Herausforderung, die Veränderungen der Metallstruktur in Echtzeit mitzuverfolgen. Dadurch konnten sie nachweisen, dass atomare Defekte eine zentrale Ursache der interessanten physikalischen Eigenschaften sind. Nanokristalline Metalle setzen sich aus unzähligen Kristalliten bzw. Körnern zusammen, die meist kleiner sind als hundert Nanometer – je kleiner die Körner, desto fester das Metall. Eigentlich ist die Struktur von nanokristallinen Metallen sehr regelmäßig: Die Atome in den Kristallen liegen schichtweise dicht gepackt in Reih und Glied.

Doch bei der Herstellung der Metalle schleichen sich atomare Defekte ein, die diese Ordnung brechen. So liegen beispielsweise bestimmte Schichten nicht direkt übereinander bzw. einige Atome fehlen oder Reihen sind gegeneinander versetzt. Österreichische MaterialphysikerInnen haben nun erstmals den direkten experimentellen Nachweis für diese Effekte erbracht, die in engstem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften stehen. Dieses Ergebnis haben sie jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und dabei beschrieben, wie durch Kombination zweier spezieller Methoden die atomaren Defekte genau unter die Lupe genommen wurden.

Metall unter Spionage-Angriff
Da atomare Defekte im Nanobereich nicht ohne Weiteres sichtbar sind, arbeiteten die ForscherInnen mit sogenannten Positronen, wie Dr. Wolfgang Sprengel von der TU Graz erklärt: "Ein Positron ist ein Elementarteilchen, das dem Elektron vollständig gleicht – bis auf die elektrische Ladung. Das Positron ist positiv geladen. Treffen nun ein Positron und ein Elektron aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus und zerstrahlen. An jenen Stellen, wo atomare Defekte vorliegen, gibt es weniger Elektronen und damit auch weniger Zerstrahlungsereignisse. Die Positronen dienen also quasi als Spione, die detaillierte Auskunft über die atomaren Defekte geben. Diesen Effekt haben wir ausgenutzt, um schnelle Prozesse dieser atomaren Defekte im Metall aufzuklären." Hierzu griffen die WissenschafterInnen auf die Unterstützung des Forschungsreaktors FRM II der TU München zurück, wo sie den Positronenstrahl mit der weltweit höchsten Intensität nutzten.
Zwei Methoden. Ein Ergebnis
Zusätzlich zur Positron-Elektron-Zerstrahlung maßen die WissenschafterInnen noch die makroskopische Längenänderung beim Verschwinden der Defekte – mithilfe der sogenannten Dilatometrie. Eine Kombination mit der Positron-Elektron-Zerstrahlung ist bislang einmalig und lieferte den Nachweis, dass einige der geheimnisvoll anmutenden physikalischen Eigenschaften der nanokristallinen Massivmetalle auf diese Strukturfehler zurückzuführen sind. Ursächlich für diese Defekte ist die Herstellungsgeschichte der Metalle. Für die Produktion von nanokristallinen Massivmetallen sind aufwendige Verfahren nötig – wie zum Beispiel Hochdruck-Torsion (Erich-Schmidt-Institut Leoben). Dabei entstehen die atomaren Defekte.

Das FWF-Projekt unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Roland Würschum erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Universität Wien und dem Erich-Schmidt-Institut in Leoben und hat auch eine enge Anbindung an das nationale Forschungsnetzwerk (NFN) zu nanokristallinen Massivmetallen. Das dadurch gewonnene umfassende Verständnis der Grundlagen ist die Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung dieser neuartigen Materialien.

Originalpublikation:
In situ probing of fast defect annealing in Cu and Ni with a high-intensity positron beam. B. Oberdorfer, E-M. Steyskal, W. Sprengel, W. Puff, P. Pikart, C. Hugenschmidt, M. Zehetbauer, R. Pippan, R. Wüschum. Published September 28, 2010. Physical Review Letters 105, 146101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.146101.
Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Roland Würschum
Technische Universität Graz
Institut für Materialphysik
Petersgasse 16/IV
8010 Graz
T +43 / 316 / 873 - 8481
E wuerschum@tugraz.at
Der Wissenschaftsfonds FWF
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Sensengasse 1
1090 Wien
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