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 Massiver Meteoriten-Einschlagskrater entdeckt
15.11.2018 | Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

nachricht Einzigartiger Wissensschatz an der BfG: 30 Jahre Weltdatenzentrum Abfluss
14.11.2018 | Bundesanstalt für Gewässerkunde

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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