Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler der Saar-Uni machen die Struktur einer unterkühlten Flüssigkeit sichtbar

01.07.2013
Werden flüssige Metallgemische langsam abgekühlt, so entsteht vor ihrem Übergang in die feste Phase eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration, aber stärker geordneter Struktur.

Diese Struktur haben Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes in einem gemeinsamen Projekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) nun erstmals nachgewiesen. Sie brachten dazu am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg Metalltröpfchen in die Schwebe und durchstrahlten sie beim Abkühlen mit einer der stärksten Röntgenquellen der Welt.


Metalltröpfchen in „elektrostatischer Levitation“: Das heiße Tröpfchen schwebt im Vakuum zwischen zwei Elektroden. Während der Abkühlung und Aufheizung wird seine Struktur kontinuierlich mit Synchrotronstrahlung durchleuchtet und dokumentiert. Foto: Institut für Materialphysik im Weltraum am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln.

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in „Nature Communications“ veröffentlicht.

In unterkühlten Flüssigkeiten gibt es Phänomene, die dann zutage treten, wenn man sie mit besonders hellen Röntgenstrahlen durchleuchtet. Shuai Wei, Doktorand bei Professor Ralf Busch am Saarbrücker Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe, hat solche Phänomene nun gemeinsam mit Forscherkollegen vom DLR und vom IFW beobachten können. „Wir haben erstmals nachweisen können, dass sich eine Flüssigkeit, die abgekühlt wird, in eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration aber höherer Ordnung umwandelt, bevor bei weiterer Abkühlung die Kristallisation einsetzt“, sagt Shuai Wei, der nach seinem Physik-Bachelor in Shanghai bereits seine Masterarbeit bei Professor Busch geschrieben hat. Dabei interessieren sich Busch und sein Team insbesondere für flüssige Metalle, die bei Abkühlung zu massivem metallischem Glas erstarren. Diese haben als Konstruktionswerkstoffe besondere Eigenschaften.

Um den „Flüssig-Flüssig-Übergang“ bei Metallen genau zu studieren, machten die Wissenschaftler an der Großforschungsanlage DESY in Hamburg Experimente mit positiv geladenen, zwei bis drei Millimeter großen Metalltröpfchen. Diese wurden im Vakuum zwischen zwei Elektroden „levitiert“, also in Schwebe gebracht. Der Vorteil dieser elektrostatischen Levitation: „Beim Schweben im elektrischen Feld hat das Tröpfchen keinen Kontakt zur Umgebung, dadurch können sich keine kristallinen Keime bilden und die Kristallisation wird verzögert“, erklärt Shuai Wei. Anschließend wurden die schwebenden Tröpfchen um mehrere hundert Kelvin abgekühlt und während der Abkühlung im Teilchenbeschleuniger (Synchrotron) „Doris III“ mit besonders intensiver Röntgenstrahlung durchleuchtet. „Jede Aufnahme lief innerhalb einer Sekunde ab – in einem ‚normalen‘ Röntgengerät würde sie mehrere Stunden dauern“, erklärt Ralf Busch. „So konnte der Abkühlungsprozess kontinuierlich beobachtet werden – und es zeigten sich Phänomene in den Metalltröpfchen, die sonst nicht sichtbar sind: Ihre Struktur zeigt eine größere Ordnung bei gleichbleibender Dichte.“
Dass sich darüber hinaus auch die Viskosität (Zähigkeit) und der Energieinhalt der Flüssigkeit verändern – dafür habe es schon früher Anzeichen gegeben, ergänzt Shuai Wei und fasst die neuen Erkenntnisse seiner Forschungen so zusammen: „Durch den Nachweis dieser Strukturveränderung konnten wir zeigen, dass innerhalb der flüssigen Phase eine ‚fragile‘, wenig geordnete Flüssigkeit, in eine so genannte ‚starke‘ Flüssigkeit mit höherer Ordnung umgewandelt wird.“ Diese Prozesse waren unterhalb von 1200 Kelvin (927 Grad Celsius) bis hin zu 800 Kelvin (527 Grad Celsius) nachweisbar.

Die Ergebnisse helfen, besser zu verstehen, wie sich Materie organisiert, wenn sie abgekühlt wird, so Shuai Wei. Mithilfe der besonderen Eigenschaften von metallischen Gläsern könnten dann noch bessere Werkstoffe hergestellt werden. Derzeit macht der Nachwuchswissenschaftler bereits weitere Experimente am Synchrotron „Petra III“, die nach Angaben von DESY „die brillanteste Speicherring-Röntgenstrahlung der Welt“ liefert.

Link zur Veröffentlichung: http://www.nature.com/naturecommunications
(DOI: 10.1038/ncomms3083)

Kontakt:
Prof. Dr. Ralf Busch
und Shuai Wei
Metallische Werkstoffe
Tel. 0681 302-3208
E-Mail: r.busch@mx.uni-saarland.de, shuai.wei@mx.uni-saarland.de

Hinweis für Hörfunk-Journalisten: Sie können Telefoninterviews in Studioqualität mit Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes führen, über Rundfunk-Codec (IP-Verbindung mit Direktanwahl oder über ARD-Sternpunkt 106813020001). Interviewwünsche bitte an die Pressestelle (0681 302-4582) richten.

Gerhild Sieber | Universität des Saarlandes
Weitere Informationen:
http://www.uni-saarland.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum
07.12.2016 | Technische Universität Graz

nachricht Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate
06.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie