Metallische Gläser: Forscherin widerlegt Paradigma

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Bei der Erforschung der Erstarrung metallischer Gläser sind der Materialwissenschaftlerin Dr. Isabella Gallino entscheidende Fortschritte gelungen. Sie widerlegt zudem ein jahrzehntealtes Paradigma.

Gallino erforscht an der Universität des Saarlandes mit einem internationalen Team, was beim „Glasübergang“ metallischer Gläser passiert. Bei Metallschmelzen, die langsam erstarrten, bilden die Atome eine regelmäßige Kristallstruktur. Metallische Gläser hingegen entstehen, wenn die Schmelze innerhalb von Sekundenbruchteilen herunterkühlt. Dabei entsteht auf atomarer Ebene eine Struktur die chaotisch wirkt. Diese Unordnung bringt neue Eigenschaften mit sich: Beispielsweise sind metallische Gläser fest wie Stahl und gleichzeitig elastisch wie Kunststoff.

Gallino untersucht gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Spanien (Dr. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), Frankreich (Dr. Beatrice Ruta) und Deutschland (Professor Ralf Busch, auch von der Universität des Saarlandes) nun in bisher ungekannter Detailgenauigkeit den so genannten „Glasübergang“, den Übergang von einer Flüssigkeit in die feste Form. Die Erkenntnisse daraus wurden jetzt in dem Fachmagazin „Science Advances“ veröffentlicht.

Das Forscherteam hat die Schmelze einer Goldlegierung mit sehr brillanter (und kohärenter) Röntgenstrahlung am European Synchrotron Research Facility in Grenoble untersucht, während sie von 150 Grad auf 115 Grad in den glasartigen Zustand übergeht. Anhand der Atome ist dabei erkennbar, wie die Beweglichkeit des Materials abnimmt. Darüber hinaus hat das Forscherteam um Gallino einen „Flash-Kalorimeter“ eingesetzt, der extreme Heiz- und Kühlraten ermöglicht und den Einfrierprozess untersucht.

Was in dem Glasübergang genau passiert, war bislang noch nicht genau bekannt. „In diesem großen Bereich von Heiz- und Kühlraten ist das bisher noch niemandem gelungen“, erklärt Isabella Gallino. Sie konnte dabei ein Paradigma, das seit Jahrzenten galt, widerlegen: „Bisher ist man immer davon ausgegangen, dass mit der Abnahme der atomaren Beweglichkeit in gleichem Maße die Eigenschaften der Flüssigkeit ab- und die des Feststoffes zunehmen“, erklärt sie. „Diese Eins-zu-eins-Korrelation ist allerdings nicht ganz korrekt“, so die Materialforscherin.

„Das liegt daran, dass die Schmelze aus ganz verschieden großen Atomen besteht“, führt sie weiter aus. „Während die großen Atome wie die Goldatome schon eingefroren sind, können sich die kleinen Atome wie Silizium noch bewegen und sich ‚zurechtruckeln‘.“ Dieses kollektive Fließen führt dazu, dass die globale Beweglichkeit zu diesem Zeitpunkt immer noch vorhanden ist, sodass sich das Material noch wie eine Flüssigkeit verhält. Erst wenn auch die kleineren Atome einfrieren, erstarrt die Flüssigkeit komplett zu Glas.

Der Artikel zu der Forschungsarbeit ist unter diesem Link abrufbar: https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay1454