Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse über metallische Schmelzen: Was Einstein nicht ahnte

17.10.2014

Hart wie Keramik, leitfähig wie Metall, formbar wie Plastik: Metallische Gläser haben faszinierende Eigenschaften, die für die Industrie hochinteressant sind. Wie genau sie entstehen, ist aber noch weitgehend unbekannt. Mit ihrer neuen Entdeckung sind Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun nahe dran, das Geheimnis zu lüften, was passiert, wenn flüssige Metalllegierungen zu Glas erstarren. Damit erweitern sie eine über einhundert Jahre alte Theorie Albert Einsteins über Viskosität und Diffusion.

„Das Metall der Zukunft“ – damit werben Firmen für die extrem harten, elastischen und korrosionsbeständigen Metalllegierungen. Sie sind besonders in der Medizin, in der Raumfahrt und bei Sportausrüstung wie Golfschlägern gefragt. Die Herstellung dieser metallischen Gläser, die erstmals 1954 in Deutschland entdeckt wurden, ist jedoch sehr aufwendig und teuer, da umfassende wissenschaftliche Grundlagenerkenntnisse bisher fehlen – trotz zurzeit intensiver Erforschung.


Forschungsgegenstand Vitreloy 4: Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben neues Grundlagenwissen über metallische Schmelzen geschaffen.

Foto/Copyright: Elisabeth Gill

Insbesondere die Übergangsphase von der Schmelze bis zum Glas stellt die Forscherinnen und Forscher vor große Rätsel. In kristallinen Festkörpern ist jedes einzelne Atom wie in einem Käfig an seinem Ort gefangen, denn die Teilchen sind dicht und regelmäßig „gepackt“. Völlig anders verhalten sie sich hingegen in sogenannten einfachen Schmelzen.

Das sind Stoffe in der flüssigen Phase, die nur aus einem Element bestehen. In diesem Zustand haben die Atome mehr Platz (= mehr freies Volumen), um sich gleichzeitig zu bewegen. Dadurch stoßen sie auch aneinander und ändern fortwährend ihre Richtung. Albert Einstein beschrieb dieses Verhalten bereits 1905 in einer Gleichung: In einer einfachen Schmelze bestimmt demnach die Größe der Atome deren Geschwindigkeit. Bei etwa gleicher Atomgröße – so erkannte der Physiker – sollten sich alle Atome nahezu gleich schnell bewegen.

Überraschendes förderte jetzt ein Kieler Forschungsteam um Professor Franz Faupel und Professor Klaus Rätzke mit Kolleginnen und Kollegen vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln zu Tage: Mit Experimenten an Vitreloy 4 (Marke der Liquidmetal Technologies), einer Legierung aus Zirconium, Titan, Kupfer, Nickel und Beryllium – also einer komplexen Schmelze aus mehreren Elementen – wiesen sie nach, dass sich komplexe Schmelzen von glasbildenden Legierungen nicht wie einfache Schmelzen verhalten.

„Schon mehrere hundert Grad vor dem Einsetzen der Erstarrung stellten wir fest, dass sich unterschiedliche Atomspezies unterschiedlich schnell bewegten“, erklärt Faupel die Untersuchungsergebnisse, „Und dass, obwohl die verschiedenen Atome fast gleich groß sind.“ Die Forschenden hatten zuvor Zirkon- und Cobalt-Atome radioaktiv markiert und beobachteten, dass die Zirkon-Atome bis zu viermal langsamer durch die Schmelze schleichen als die restlichen Atome. „Sie bewegen sich nicht frei, sondern spüren sogar oberhalb der Glasübergangstemperatur das Energiepotential anderer Zirkon-Atome und formen zeitweilig sogar Bindungen mit ihren Nachbarn“, führt Faupel weiter aus.

Diese Erkenntnisse, jüngst erschienen in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“, bestätigen nicht nur jüngste Theorien in diesem Forschungsfeld, welche davon ausgehen, dass die Glasbildung durch das Einfrieren der Bewegung bei bestimmten Temperaturen bedingt ist. Sondern sie könnten auch dazu führen, dass metallische Gläser zukünftig günstiger und gezielter hergestellt werden können.

Originalpublikation
Decoupling of Component Diffusion in a Glass-Forming Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5 Melt Far above the Liquidus Temperature
Sri Wahyuni Basuki, Alexander Bartsch, Fan Yang, Klaus Rätzke, Andreas Meyer and Franz Faupel. PhysRevLett.113.165901 (DOI: 10.1103)
Link zum Online-Artikel: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.165901

Fotos und Abbildungen stehen zum Download zur Verfügung:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2014/2014-321-1.jpg
Bildunterschrift: Die Doktorandin Sri Wahyuni Basuki im Labor vor der Diffusionsapparatur für die hier vorgestellten Experimente.
Foto/Copyright: AG Materialverbunde Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2014/2014-321-2.jpg
Bildunterschrift: Diffusionsmechanismen im Festkörper, der komplexen Schmelze und der einfachen Schmelze
Copyright: AG Materialverbunde Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2014/2014-321-3.jpg
Bildunterschrift: Forschungsgegenstand Vitreloy 4: Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben neues Grundlagenwissen über metallische Schmelzen geschaffen.
Foto/Copyright: Elisabeth Gill

Kontakt
Prof. Dr. Franz Faupel
Universität Kiel
Institut für Materialwissenschaft
Tel.: 0431/880 6225
E-Mail: ff@tf.uni-kiel.de

Prof. Dr. Klaus Rätzke
Universität Kiel
Institut für Materialwissenschaft
Tel.: 0431/880 6227
E-Mail: kr@tf.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie