Metallische Gläser verstehen

Metallische Gläser bieten sich wegen ihrer besonderen Härte als Werkstoff an. Allerdings sind sie auch besonders spröde und damit bruchanfällig. Bochumer Forscher am Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS) wollen jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Münster die Ursachen der Bruchanfälligkeit dieser Werkstoffe im Detail verstehen, um Strategien für eine bessere Nutzung entwickeln zu können. Dabei werden sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit insgesamt rund 700.000 Euro gefördert.

Der Begriff Glas steht für Materialwissenschaftler für ein Material ohne kristalline Ordnung. Ähnlich wie bei einer Flüssigkeit ist die Anordnung der Atome in einem Glas zufällig, wobei die Nachbarn eines Atoms oder Moleküls eine Art Käfig um das betrachtete Teilchen bilden. In einer Flüssigkeit ist dieser Käfig relativ weich, sodass Atome oder Moleküle sich durch ihre Nachbaratome hindurch fortbewegen können – ähnlich wie Personen auf einem vollen Konzert, die es doch schaffen, an die Theke zu gelangen. Das erklärt auch, warum eine Flüssigkeit sich der Form ihres Behälters anpassen kann, so Projektleiter Prof. Dr. Fathollah Varnik. In einem Glas hingegen ist der Käfig hart und die Zeit für eine merkliche Bewegung der Teilchen fast unendlich lang. Es handelt sich um einen Festkörper.

Ein alltägliches Beispiel für Gläser ist das herkömmliche Fensterglas. Eine weitere Materialklasse, die leicht glasartige Strukturen bildet, sind Polymere. Metalle hingegen neigen normalerweise dazu, geordnete gitterartige Strukturen zu bilden, die sich in ihrem Inneren über weite Strecken fortsetzen. Nur einige Legierungen bilden unter bestimmten Bedingungen Glasstrukturen aus. Gängige Beispiele sind zirkonium- oder nickelbasierte Legierungen.

Brüche sind nur schwierig vorherzusagen

Weil sich Verformungen in solchen Gläsern nicht über eine Kristallstruktur fortsetzen können, die sie auffängt, sind sie besonders hart. Daher stellt man aus solchen metallischen Gläsern zum Beispiel Golfschläger her, mit denen der Spieler seine Bewegungsenergie besonders gut auf den Ball übertragen kann, weil sie nicht vom Metall des Schlägers aufgenommen wird. Die Kehrseite der Härte ist aber die Sprödigkeit dieser Materialien. Bei starken Belastungen verformen sie sich nur geringfügig, was die Bruchgefahr deutlich erhöht. Aufgrund der ungeordneten atomaren Struktur ist es jedoch sehr schwierig, den Ort und den Verlauf eines Bruchs vorherzusagen.

Fathollah Varnik und Gerhard Wilde vom Institut für Materialphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster nehmen sich dieser Herausforderung an. Sie wollen gemeinsam das Verhalten metallischer Gläser auf der Nanometerskala erforschen, um den Zusammenhang zwischen der atomaren Struktur und der lokalen Verformung besser zu verstehen und mögliche Gefahrstellen für die Bruchbildung vorausberechnen zu können. Dazu kombinieren die Forscher theoretische Modelluntersuchungen und Computersimulationen mit modernen experimentellen Methoden wie Radio-Tracer-Diffusionsexperimente und Elektronen-Korrelationsmikroskopie.

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