3D-Analyse von Materialien – Saarbrücker Forscher erhält renommierten US-Preis

Je nach Anwendung sollen Werkstoffe besonders fest, verformbar oder auch stabil bei höheren Temperaturen  sein. Um diese und viele andere Funktionseigenschaften zu erzeugen, müssen Materialforscher die innere Struktur der Werkstoffe verstehen. Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes, hat dafür über Jahrzehnte hinweg verschiedene Methoden entwickelt. Für dieses Lebenswerk erhält er jetzt die höchste Auszeichnung der American Society for Materials (ASM) auf dem Gebiet der mikroskopischen Materialforschung, den Henry Clifton Sorby Award. Der 56-jährige ist erst der fünfte Deutsche, der diesen Preis erhält.

Für sein Lebenswerk erhält Professor Frank Mücklich den Henry Clifton Sorby Award. Der 56-jährige ist erst der fünfte Deutsche, der diesen Preis erhält / Bildquelle: Steve Welter

Bisher wissen die Forscher bei Materialien mit komplexen inneren Strukturen nicht genau, welche Substanz oder welcher Mechanismus eine gewünschte Eigenschaft steuert. Sie können zwar durch langjährige Erfahrung ableiten, wie sich ein Werkstoff durch bestimmte Zusätze und Bearbeitungsschritte verändert. Oft ergeben sich wesentliche Verbesserungen aber scheinbar zufällig. Mit den Analysetechniken der Universität können nun alle Veränderungen  der inneren Struktur von Materialien auch dreidimensional dargestellt und vor allem auch quantitativ analysiert werden, so Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Saar-Uni. Damit könne man zum einen besser verstehen, was sich während der Herstellung zum Beispiel durch eine Verformung bei einer ganz bestimmten Temperatur in den Materialien abspielt. Man könne nun aber auch immer besser vorhersagen, wie sich eine gewünschte Eigenschaft oder eine Kombination von Eigenschaften bei einem Werkstoff erzielen lässt.

Das lässt sich an einem Beispiel aus dem Automobilbau gut erklären. Leichtbau-Motorblöcke aus Aluminium erhalten zwar eine deutlich höhere Steifigkeit, wenn man ein auf bestimmte Art und Weise geformtes mikroskopisch feines Netzwerk aus Siliziumatomen im Inneren des Aluminiums entstehen lässt. Das Material hat dann aber den Nachteil, dass es gleichzeitig sehr spröde wird, es bricht also leicht. Mücklich und seine Mitarbeiter fanden mit der von ihnen entwickelten Nano-Tomographietechnik in Kombination mit atomarer Tomographie heraus, dass durch den Einbau sehr weniger fremder Atome (eines von zehntausend) im metallischen Kristallgitter die Werkstoffe ihre erhöhte Steifigkeit behalten, aber nicht mehr spröde sind.  Das Wachstum des Siliziumnetzwerkes wird durch die wenigen fremden Atome gezielt gestoppt. Das Siliziumnetzwerk zerfällt dadurch  in isolierte Bereiche, die sich bei der Verformung des Aluminiumwerkstoffes gegeneinander bewegen können und damit Verformbarkeit möglich machen. Solche Werkstoffe sind entscheidend für Hochleistungsmotoren höchster Verdichtung in Premiumautomobilen.

Die Nano-Tomographie erzeugt ähnliche Bilder wie die Computer-Tomographie in der medizinischen Untersuchung. Im Unterschied dazu wird der Körper aber nicht scheibchenweise durchleuchtet, sondern durch einen sehr präzisen Ionenstrahl systematisch in Nano-Scheibchen zerlegt und mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Die dabei erfassten Bildserien werden anschließend im Computer wieder zum exakten räumlichen Abbild zusammengefügt. Im Labor für Atomsonden-Tomographie, das auch am Institut von Professor Mücklich eingerichtet wurde, ist das Verfahren etwas anders. Dort werden die Atome durch ein extremes elektrisches Feld einzeln aus der Probe herausgerissen, anschließend analysiert und zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt.

Durch die extrem hohe Auflösung der Tomographie und der unterschiedlichen Kontrastverfahren können wir nicht nur chemisch analysieren, welche Atome in einem Werkstoff enthalten sind, sondern wir können auch veranschaulichen, welche Gitterstruktur die Kristalle des Materials haben und welche Nanostrukturen daraus geformt wurden, so Frank Mücklich, der in Saarbrücken auch das Steinbeis-Forschungszentrum für Werkstofftechnik leitet. Wenn ein Werkstoff spröde wird und bei starker Beanspruchung reißt, reicht es oft nicht aus, nur auf der Skala von einigen Mikrometern in das Innere zu blicken. Manche Eigenschaften lassen sich erst erklären, wenn man um den Faktor 1000 hineinzoomt, also in Nanodimensionen das Gefüge untersucht. Bei der Analyse des Werkstoffes für Aluminium-Motorblöcke ist selbst das noch zu wenig gewesen und man musste einen weiteren Tausenderschritt bis auf die atomare Ebene gehen. Erst durch diese Verknüpfung der verschiedenen 2D- und 3D-Techniken in allen Dimensionen können die vielfältigen Werkstoffeigenschaften in ihrer Kombination verstanden, durch Modellierung optimiert und so ganz neue Werkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen entwickelt werden.

Hintergrund zum Henry Clifton Sorby Award

Die große US-amerikanische Fachgesellschaft für Materialwissenschaft, die American Society for Materials (ASM), betrachtet die langjährige Forschungstätigkeit von Professor Frank Mücklich als bahnbrechend. Sie ehrt ihn daher für sein Lebenswerk mit dem Henry Clifton Sorby Award, der seit 1976 jährlich verliehen wird und nach dem legendären britischen Pionier der mikroskopischen Materialforschung benannt ist. Die hohe Auszeichnung wird Professor Mücklich am 25. Juli auf der internationalen Konferenz M&M 2016 (Microscopy & Microanalysis) in Columbus (Ohio) verliehen. Er ist erst der fünfte deutsche Materialforscher, der diesen US-amerikanischen Preis erhält. Im Rahmen der Preisverleihung wird Frank Mücklich die traditionelle Sorby Lecture zum Thema „From Correlative Microscopy to 3D Understanding of Material Microstructures“ halten.

Hintergrund zu Professor Frank Mücklich

Frank Mücklich studierte Physikalische Metallkunde an der Bergakademie Freiberg und leitet seit 1995 das Institut für Funktionswerkstoffe an  der Universität des Saarlandes. Seit 2009 leitet er außerdem das Material Engineering Center Saarland der Steinbeis-Stiftung (MECS) sowie die Europäische Schule für Materialforschung in Saarbrücken (EUSMAT). Er ist Herausgeber der Zeitschrift Practical Metallography – Preparation, Imaging and Analysis of Microstructures des Hanser-Verlages. Frank Mücklich erhielt zahlreiche Auszeichnungen, unter anderem den Georg-Masing-Preis, den Alfried-Krupp-Preis, den Georg-Mitsche-Preis und den Steinbeis-Transferpreis. Mücklich war Mitglied des Vorstandes der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) und leitete unter anderem die größte europäische Konferenz für Materialforschung (Euromat) in Sevilla.

http://www.uni-saarland.de/fuwe