Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanostrukturen erstmals in 3D

21.02.2006


Die Abbildung zeigt die 3D-Gradienten der kristallographischen Orientierung in einem intermetallischen Eisen-Aluminium-Kristall (Gitterkrümmung) in der unmittelbaren Umgebung einer sehr harten Laves-Phase (als transparentes Netz dargestellt). Die Farbabstufungen beschreiben jeweils eine Zunahme der Orientierungsänderungen zum Bezugspunkt an der Grenzfläche zwischen Matrix und Laves-Phase in Schritten von zwei Grad. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung


Düsseldorfer Max-Planck-Forscher präsentieren erstes dreidimensionales Elektronenmikroskop zur Strukturuntersuchung von Nanomaterialien


In der Abteilung Mikrostrukturphysik und Umformtechnik des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf wurde das weltweit erste Elektronenmikroskop eingeführt und in Betrieb genommen, mit dem man gleichzeitig und automatisiert den Phasengehalt, die Textur und die Grenzflächen von Materialien in drei Dimensionen untersuchen kann. Das Gerät besteht aus einem Höchstauflösungs-Rasterelektronenmikroskop und einem Ionen- bzw. Atommikroskop. Die beiden bisher in der Forschung getrennt genutzten Mikroskope sind nun zu einem einzigen neuen leistungsfähigen Instrument integriert (ZEISS 1540 XB), das zudem über ein umfangreiches Arsenal an Detektoren für die Messung von Beugungsmustern zur Orientierungsbestimmung und zur chemischen Analyse verfügt. Diese 3D-Technik erlaubt Einblicke in die Mikrostruktur von Nanomaterialien, biologischen Werkstoffen oder auch von höchstfesten Stählen, wie sie von anderen Mikroskopie-Verfahren nicht geliefert werden können (Acta Materialia 54 (2006) 1369).

Für die Materialwissenschaften ist die Möglichkeit, Mikrostrukturen dreidimensional untersuchen zu können, von großer Bedeutung. Dazu gibt es heute zwei Herangehensweisen: Zum einen untersucht man Materialien mit Hilfe von Röntgen-, Elektronen- oder Neutronen-Strahlung. Diese Methoden sind nicht-destruktiv und aus den gewonnenen Bildern kann man die dreidimensionale Struktur rekonstruieren. Von Nachteil ist, dass diese Methoden zu wenig Informationen, speziell bei kristallinen Materialien liefern und zeitaufwändig sind. Darüber hinaus sind sie in der Ortsauflösung gegenwärtig um etwa zwei Größenordnungen schlechter als das hier vorgestellt elektronenmikroskopische 3D-Verfahren (ca. 40 Kubik-Nanometer).


Der zweite Ansatz besteht darin, das Material scheibchenweise aufzunehmen und die gewonnenen Informationen dann in drei Dimensionen tomographisch zu rekonstruieren. Das dreidimensionale Messprinzip des neuen Mikroskops besteht darin, dass man mit dem Elektronenmikroskop zunächst eine zweidimensionale Abbildung mit der gewünschten kristallographischen oder chemischen Methode durchführt und anschließend mit dem Ionenstrahl eine Scheibe des Materials mit nanoskopischer Präzision abschneidet, so dass nun die darunter liegende Schicht analysiert werden kann. Auf diese Weise kann man Scheibe für Scheibe analysieren und abtragen, so dass am Ende ein digitales dreidimensionales Bild entsteht.

Das komplett in situ arbeitende Mikroskop arbeitet voll automatisch, so dass relativ große Regionen in einem Festkörper, beispielsweise 70 x 70 x 70 Mikrometer, untersucht werden können. Die Kombination eines automatisierten Materialabtrags mit einem hochauflösenden Mikroskop liefert ein Spektrum an kristallographischen Informationen, das die Möglichkeiten der meisten anderen Mikroskopietechniken weit übertrifft. Dazu gehört die genaue Form von eingelagerten Kristallen, Position und kristallographische Eigenschaften interner Grenzflächen, die Defektdichte in Körnern und die Textur bei sehr kleinen Abmessungen. All diese Eigenschaften können mit einer Auflösung von etwa 40 Kubik-Nanometern und materialabhängig auch weniger gemessen werden.

Konkret untersuchten die Max-Planck-Forscher um Prof. Dierk Raabe und Dr. Stefan Zaefferer Fe3Al-basierte stahlverwandte intermetallische Legierungen mit dem neuen Mikroskop. Diese zeichnen sich einerseits aus durch ihre hohe Oxidations- und Sulfidationsresistenz bei hohen Temperaturen, sind aber andererseits noch nicht ausreichend hart und homogen. Man versucht deshalb, diese Werkstoffe durch Einlagerung winziger Partikel und Hinzufügen von Chrom zu veredeln und für technische Einsätze tauglich zu machen. Der Einsatz dieser Werkstoffe zielt auf das Design neuer Hochtemperaturgasturbinen in konventionellen Kraftwerken ab, die durch diesen Werkstoff bei wesentlich höheren Wirkungsgraden als bisher arbeiten und somit die Energiekosten senken könnten. Der Betrieb von Kraftwerken würde dadurch gleichzeitig wesentlich ökologischer und verlustärmer gestaltet als bisher.

An Hand dieser sehr aktuellen Fragestellung aus dem Bereich der Energieversorgung haben Raabe und seine Mitarbeiter nun mit dem neuen Instrument untersucht, welchen Effekt die eingelagerten Partikel auf die Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften dieser stahlverwandten Legierungen haben. Besonders interessiert waren die Forscher an der Frage, wie die winzigen Einschlüsse in ihrer Umgebung die Ausrichtung des Kristallgitters der Legierung beeinflussen.

In den warmumgeformten Proben konnten sie beobachten, wie sich die weicheren Kristallorientierungen der Matrixlegierung um die harten Einlagerungen ausbildete. Die Orientierung der Kristallstrukturen um die Einlagerung nahm dabei ein spezifisches Muster an, welches sich dadurch auszeichnet, dass sich systematische Orientierungsgradienten in mehreren aufeinanderfolgenden Lagen mit zunehmendem Orientierungsabstand von der Grenzfläche zu der harten Einlagerung aufbauen. Durch diese starken kristallographischen Gradienten können in der weiteren Folge neue Kristallkeime entstehen, die das Material homogenisieren und die mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf einen Hochtemperatureinsatz in modernen Kraftwerken verbessern.


Das Projekt wurde gefördert durch die Max-Planck-Gesellschaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
[AT]

Originalveröffentlichung:

J. Konrad, S. Zaefferer, D. Raabe
Investigation of orientation gradients around a hard Laves particle in a warm rolled Fe3Al-based alloy by a 3D EBSD-FIB technique
Acta Materialia 54 (2006) 1369


Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Elektronenmikroskop Mikroskop Mikrostruktur

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der Krümmung einen Schritt voraus

27.06.2017 | Informationstechnologie

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Überschwemmungen genau in den Blick nehmen

27.06.2017 | Informationstechnologie