Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Grundlagenforschung für die Praxis: Modelle der Geophysik auch für Materialwissenschaften nützlich

23.11.2017

Computersimulationen aus den Geowissenschaften klären Rätsel um Wirbelstrukturen in Multischichtmetallen auf

Grundlagenforschung kann manchmal ungewöhnliche Wege nehmen, um schließlich unerwartet zur Anwendung zu kommen. So ist es Forschern vom Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gelungen, geodynamische Computermodelle auf praktische Fragen der Materialwissenschaften anzuwenden und damit ein Problem der Metalldeformation zu lösen – ein komplett anderes Fachgebiet.


Rotierende Strukturen in A) Metalldeformationsexperimenten mit Aluminium (weiß) und Kupfer (rötlich), B) Computersimulationen und C) Gesteinen in West-Australien, hier eine sogenannte Deltaclast-Struktur. All diese Strukturen sind durch einen ähnlichen physikalischen Prozess entstanden.

Abb./©: A) Mohsen Pouryazdan/KIT, B) Boris Kaus/JGU, C) Cees Passchier/JGU

Die Gruppe um Prof. Dr. Boris Kaus zeigt in ihrer Arbeit, dass dieselbe Instabilität, die kilometerdicke Felslagen über lange Zeiträume zur Faltung bringt, auch auf Mikrometerebene, in diesem Fall bei Metallen, wirksam ist. Die Forschungsarbeit, die in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erfolgte, wurde von Nature Communications publiziert.

Ausgangspunkt war eine Arbeit der Karlsruher Kollegen um Prof. Dr. Horst Hahn, die zum ersten Mal überhaupt mechanisches Mixen von Metallen in dreidimensionaler Form zeigen konnten. Mechanisches Mixen erfolgt, wenn zum Beispiel zwei Metalle aufeinanderdrücken und deformiert werden.

In der 3-D-Darstelllung zeigte sich, dass dieses Mixen komplizierter aussieht, als der Verlauf im Experiment hätte erwarten lassen. Insbesondere treten rotierende Strukturen auf, die Ähnlichkeiten mit Wolken oder Flüssigkeiten aufweisen und daher zunächst als Kelvin-Helmholtz-Instabilität gedeutet wurden.

Wirbelstrukturen in Metallen ähneln Gesteinsdeformationen

Tatsächlich aber findet sich eine weit größere Übereinstimmung der rotierenden Strukturen in den Metallen mit geophysikalischen Strukturen, die ein Wissenschaftler in einem Mikrotektonik-Buch des Mainzer Geowissenschaftlers Prof. Dr. Cees Passchier entdeckt hat. „Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten konnten nicht die Lösung für das Problem sein, weil sich Luft und Wasser viel schneller bewegen als Metalle und deswegen die grundlegende Physik anders ist“, erklärt Kaus zu den Zusammenhängen.

Die Mainzer Forscher wiesen nach, dass die in Karlsruhe gefundenen Strukturen Ähnlichkeiten mit Gesteinsdeformationen im Gebirge zeigen und die grundlegende Physik praktisch identisch ist.

Erstautor Dr. Mohsen Pouryazdan vom KIT und seine Kooperationspartner stellen in Nature Communications eine Strategie vor, die zeigt, wie die morphologische Entwicklung bei sich verformenden Feststoffen, bestehend aus mehreren Phasen, auf Mikrometerskala verläuft. Dazu werden mit hohem Druck Torsionskräfte auf die Multischichtmetalle aus Silber und Kupfer sowie Aluminium und Kupfer ausgeübt.

Anschließend werden die Materialien mit Hilfe von Röntgen-Synchrotron-Tomographie in 3-D dargestellt. Hier sind in den sich verformenden Feststoffen verschiedene morphologischer Ereignisse zu sehen, darunter Faltformationen und Wirbel. Im nächsten Schritt schlagen die Wissenschaftler ein numerisches Modell vor. Die experimentellen Funde dienen praktisch als Referenz, um das Computermodell zu evaluieren.

Die Computersimulation zeigt, dass die anscheinend komplexen experimentellen Beobachtungen relativ einfach reproduziert werden können, indem nur wenige Materialparameter wie Viskosität und Stressexposition als Input verwendet werden. Demnach lässt sich die Scher-Instabilität in dem Metall-Experiment mit geologischen Systemen vergleichen, die sich auf großen Längenskalen und über Millionen von Jahren hinweg verändern.

Auch wenn das Experiment jetzt mit Multischichtmetallen unter Scherbelastung erfolgt ist, so ist das Modell nicht nur auf solche Fälle begrenzt, sondern kann auf irgendein Materialsystem angewendet werden, unabhängig von seiner Morphologie. Damit ist das Modell ein vielseitiges Werkzeug, um eine große Palette von Materialien und materialverarbeitenden Techniken zu untersuchen.

„Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass Modellierungstechniken aus der Grundlagenforschung in den Geowissenschaften ganz praktische Anwendungen für die Materialwissenschaften haben“, bemerkt Boris Kaus. „Dabei war unsere Software entwickelt worden, um Gebirgsbildungsprozesse zu simulieren – ein schönes Beispiel dafür, dass Grundlagenforschung immer unerwartete Anwendungen haben kann.“

Abb.:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_geowissenschaften_metall_deformation.jp...
Rotierende Strukturen in A) Metalldeformationsexperimenten mit Aluminium (weiß) und Kupfer (rötlich), B) Computersimulationen und C) Gesteinen in West-Australien, hier eine sogenannte Deltaclast-Struktur. All diese Strukturen sind durch einen ähnlichen physikalischen Prozess entstanden.
Abb./©: A) Mohsen Pouryazdan/KIT, B) Boris Kaus/JGU, C) Cees Passchier/JGU

Veröffentlichung:
Mohsen Pouryazdan et al.
Mixing instabilities during shearing of metals
Nature Communications, 20. November 2017
DOI: 10.1038/s41467-017-01879-5
http://www.nature.com/articles/s41467-017-01879-5

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Boris Kaus
Leiter AG Geophysik
Institut für Geowissenschaften
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-24527
E-Mail: kaus@uni-mainz.de
http://www.geowiss.uni-mainz.de/934_DEU_HTML.php

Pressekontakt am KIT:
Kosta Schinarakis
Karlsruhe Institut für Technologie
Tel. +49 721 608 41956
Fax +49 721 608 43658
E-Mail: schinarakis@kit.edu
http://www.kit.edu/

Weitere Links:
http://www.geo-dynamics.eu/ (Geophysik und Geodynamik)
http://www.uni-mainz.de/presse/75361.php (Pressemitteilung vom 10.05.2016 „Geophysiker Boris Kaus erhält ERC Proof of Concept Grant“)

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Mit künstlicher Intelligenz das Erdsystem verstehen
14.02.2019 | Max-Planck-Institut für Biogeochemie

nachricht Ozeanerwärmung beschleunigte vor 8.200 Jahren Gletscherschmelze in Kanada
12.02.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Licht von der Rolle – hybride OLED ermöglicht innovative funktionale Lichtoberflächen

Bislang wurden OLEDS ausschließlich als neue Beleuchtungstechnologie für den Einsatz in Leuchten und Lampen verwendet. Dabei bietet die organische Technologie viel mehr: Als Lichtoberfläche, die sich mit den unterschiedlichsten Materialien kombinieren lässt, kann sie Funktionalität und Design unzähliger Produkte verändern und revolutionieren. Beispielhaft für die vielen Anwendungsmöglichkeiten präsentiert das Fraunhofer FEP gemeinsam mit der EMDE development of light GmbH im Rahmen des EU-Projektes PI-SCALE auf der Münchner LOPEC (19. bis 21. März 2019), erstmals in Textildesign integrierte hybride OLEDs.

Als Anbieter von Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik setzt sich das Fraunhofer FEP schon lange mit der...

Im Focus: Light from a roll – hybrid OLED creates innovative and functional luminous surfaces

Up to now, OLEDs have been used exclusively as a novel lighting technology for use in luminaires and lamps. However, flexible organic technology can offer much more: as an active lighting surface, it can be combined with a wide variety of materials, not just to modify but to revolutionize the functionality and design of countless existing products. To exemplify this, the Fraunhofer FEP together with the company EMDE development of light GmbH will be presenting hybrid flexible OLEDs integrated into textile designs within the EU-funded project PI-SCALE for the first time at LOPEC (March 19-21, 2019 in Munich, Germany) as examples of some of the many possible applications.

The Fraunhofer FEP, a provider of research and development services in the field of organic electronics, has long been involved in the development of...

Im Focus: Laserverfahren für funktionsintegrierte Composites

Composites vereinen gewinnbringend die Vorteile artungleicher Materialien – und schöpfen damit zum Beispiel Potentiale im Leichtbau aus. Auf der JEC World 2019 im März in Paris präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein breites Spektrum an laserbasierten Technologien für die effiziente Herstellung und Bearbeitung von Verbundmaterialien. Einblicke zu Füge- und Trennverfahren sowie zur Oberflächenstrukturierung erhalten Besucher auf dem Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau AZL, Halle 5A/D17.

Experten des Fraunhofer ILT erforschen und entwickeln Laserprozesse für das wirtschaftliche Fügen, Schneiden, Abtragen oder Bohren von Verbundmaterialien –...

Im Focus: Grüne Spintronik: Mit Spannung Superferromagnetismus erzeugen

Ein HZB-Team hat zusammen mit internationalen Partnern an der Lichtquelle BESSY II ein neues Phänomen in Eisen-Nanokörnern auf einem ferroelektrischen Substrat beobachtet: Die magnetischen Momente der Eisenkörner richten sich superferromagnetisch aus, sobald eine elektrische Spannung anliegt. Der Effekt funktioniert bei Raumtemperatur und könnte zu neuen Materialien für IT-Bauelemente und Datenspeicher führen, die weniger Energie verbrauchen.

In heutigen Datenspeichern müssen magnetische Domänen mit Hilfe eines externen Magnetfeld umgeschaltet werden, welches durch elektrischen Strom erzeugt wird....

Im Focus: Regensburger Physiker beobachten, wie es sich Elektronen gemütlich machen

Und können dadurch mit ihrer neu entwickelten Mikroskopiemethode Orbitale einzelner Moleküle in verschiedenen Ladungszuständen abbilden. Die internationale Forschergruppe der Universität Regensburg berichtet über ihre Ergebnisse unter dem Titel “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators” in der weltweit angesehenen Fachzeitschrift ,,Nature‘‘.

Sie sind die Grundbausteine der uns umgebenden Materie - Atome und Moleküle. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LastMileLogistics Conference in Frankfurt befasst sich mit Lieferkonzepten für Ballungsräume

19.02.2019 | Veranstaltungen

Bildung digital und multikulturell: Große Fachtagung GEBF findet an der Uni Köln statt

18.02.2019 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Thema Desinformation in Online-Medien

15.02.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Licht von der Rolle – hybride OLED ermöglicht innovative funktionale Lichtoberflächen

19.02.2019 | Messenachrichten

Künstliche Intelligenz im E-Learning, Corporate Learning und Kundendialog

19.02.2019 | Seminare Workshops

Infrarotstrahlung und Luftmanagement intelligent kombiniert reduziert den Energieaufwand

19.02.2019 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics