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Blick durch eine Glasscheibe voller Regentropfen

Auf der Suche nach dem "perfekten Glas"

Glas ist amorph. Das heißt, in seinem Inneren herrscht Chaos. Im Gegensatz zu anderen Festkörpern bilden die Atome keine geordnete Struktur, sondern ein Durcheinander. Forschern ist nun das Unmögliche gelungen: Atome ordneten sich in einem metallischen Glas unter extrem hohem Druck in ein regelmäßiges, kristallines Muster.

Materialwissenschaft 17.06.2011

Für die Weiterentwicklung dieses vielversprechenden Materialtyps könnte diese Erkenntnis von großem Nutzen sein.

Ein Metall mit glasartigen Eigenschaften

Metallisches Glas oder amorphes Metall bezeichnet ein relativ neues Material, das erst seit etwa 50 Jahren intensiv erforscht wird. Man versucht darin, die Vorteile von Glas und Metall zu vereinen und die Nachteile der beiden möglichst auszuschalten. In der Regel handelt es sich um metallische Legierungen, die anders als normale Metalle eine amorphe Struktur besitzen. Dieser ungewöhnliche Zustand verleiht dem Werkstoff einige bemerkenswerte Eigenschaften.

Durch die fehlende kristalline Struktur lässt sich damit präziser arbeiten, da das Material beim Abkühlen nicht kristallisiert und sich dadurch zusammenzieht. Zudem ist es härter und korrosionsbeständiger als herkömmliche Metalle. Die fehlenden kristallinen Körner haben aber auch einen Nachteil: die Brüchigkeit. Eigentlich ist das Material zwar sehr robust. Tritt allerdings einmal ein Defekt auf, pflanzt er sich rasch fort.

Hergestellt wird metallisches Glas, indem man geeignete Legierungen ultraschnell abkühlt und so eine Kristallisation verhindert. Im Alltag wird das Material aufgrund der schwierigen und teuren Produktion bisher nur in sehr kleinen Mengen verwendet. Die häufigste Anwendung sind die kleinen Metallstreifen, die zur Diebstahlsicherung in CDs oder DVDs angebracht sind. Im Luxus- und High-Tech-Bereich kommt der Werkstoff bereits häufiger zum Einsatz, etwa für medizinische Skalpelle, für das Gehäuse von Luxushandys, für Golfschläger oder in der Raumfahrt.

Nur naheliegende Ordnung

Ganz so ungeordnet, wie man zu Beginn dachte, ist die Struktur metallischer Gläser jedoch nicht. Bereits in den 1980er Jahren stellten Forscher fest, dass sich im Material über sehr kurze Distanzen, d.h. einige wenige Atome, doch Muster bilden. Mittlerweile hat man diese immerhin bis zu einer Entfernung von ein paar Nanometern gefunden.

Zur Studie in "Science":

"Long-Range Topological Order in Metallic Glass" von Qiaoshi Zheng et al.

Ein Glas mit einer weiträumig geordneten, annähernd kristallinen Struktur zu erzeugen, ist bis jetzt noch nicht gelungen. Forscher sprechen in diesem Zusammenhang auch vom "Zustand des perfekten Glases" - ein Glas und trotzdem kristallin.

Schlagartige Kristallisation

Ein Team um Qiaoshi Zheng von der chinesischen Zhejiang Universität experimentierte mit einem metallischen Glas aus Cer und Aluminium. Für ihre Versuche zerteilten sie ein Zentimeter langes Metallbändchen in kleine Stückchen von 50 Mikrometer Länge, 40 Mikrometer Breite und 15 Mikrometer Dicke. Zwischen zwei Diamanten übten sie am US-amerikanischen Argonne National Laboratory den extrem hohen Druck von 250.000 Bar auf die einzelnen Stücke aus, was - zur Veranschaulichung - 250.000 Mal so viel ist wie der atmosphärische Druck von 1 Bar.

Eigentlich wollten sie nur die Belastbarkeit des Materials unter extremen Bedingungen testen. Was dann passierte, überraschte die Forscher selbst: Die Teile wurden sozusagen "entglast", wie sie den Vorgang beschreiben. Schlagartig gingen sie von ihrem glasartigen Zustand in eine Struktur aus regelmäßigen kubischen Kristallen über. Die neue strukturelle Ordnung blieb auch erhalten, nachdem das Material wieder unter normalen Umgebungsdruck gebracht worden war. Die Wiederholung des Experiments mit anderen Teilen zeigte zudem, dass sich die Atome immer in derselben Richtung anordneten. Vermutlich laufe die darunterliegende Struktur quer durch das ganze Band.

Mittels Röntgenuntersuchungen und Simulationen stellten die Forscher fest, dass die Atomstruktur von Cer und Aluminium das Material im Normalzustand davon abhält, die geordnete Struktur anzunehmen. Unter dem hohen Druck verschiebt sich demnach ein Elektron im Cer, dadurch könne die kristalline Ordnung erst entstehen.

Extreme Eigenschaft vereint

"Die Ergebnisse zeigen, dass wir vielleicht das geeignete System für die Erzeugung des lang gesuchten perfekten Glases gefunden haben", so Ko-Autor Ho-Kwang Mao vom Carnegie Institut in Washington. Möglicherweise besäßen aber auch andere Legierungen diese verborgene Struktur.

Das könnte zur Entwicklung noch vielseitigerer Materialien führen. Laut Zeng öffnet die Erkenntnis neue Wege zum Verständnis atomarer Materialstrukturen. Man könne nun zwei Extreme direkt miteinander verbinden: hochgeordnete Kristalle und chaotisches Glas.

Eva Obermüller, science.ORF.at

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