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Erforschung der Ordnung in der Welt der Unordnung

Atomares Modell eines Metallischen Glases

Transmissions-elektronenmikroskopische Aufnahme eines Metallischen Glases unter Verwendung eines definierten Streuvektors

Der Materialphysiker Christian Rentenberger von der Gruppe Physik Nanostrukturierter Materialien der Universität Wien startet gemeinsam mit Kollegen vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden ein internationales Forschungsprojekt über Metallische Gläser. Hauptaugenmerk des Projektes mit experimentellem Schwerpunkt im Bereich der Elektronenmikroskopie liegt dabei auf der atomaren Strukturbestimmung von Metallischen Gläsern.

Die meisten Metalle, die uns im Alltag begegnen, besitzen eine periodische Anordnung der Atome. Im Gegensatz dazu haben Gläser keine periodische Anordnung, sondern die Struktur einer unterkühlten Flüssigkeit. Eine derartige ungeordnete atomare Struktur wird als amorph bezeichnet und in den verschiedensten Bereichen der Materialphysik beobachtet. Amorphes Siliziumdioxid in der Form von Trink- oder Fenstergläsern ist dabei am bekanntesten und ihre Herstellung reicht bis ins 2. Jahrtausend v. Chr. zurück. Metallische Gläser hingegen sind noch eine sehr junge Materialklasse, deren Entdeckung vor ca. 50 Jahren mit der Entwicklung von Techniken des schnellen Abschreckens aus der Schmelze begonnen hat.

Kürzliche Untersuchungen haben gezeigt, dass „amorph“ nicht notwendigerweise ideal ungeordnet ist. Neben einer nah-reichweiten Ordnung von benachbarten Atomen wird vermutet, dass in Metallischen Gläsern auch eine mittel-reichweite Ordnung auftreten kann, an der, bis zu 1000 Atome beteiligt sind. „Derartige Strukturen planen wir mit einer kürzlich entwickelten Technik in der Transmissions-Elektronenmikroskopie, der sogenannten Fluktuationsmikroskopie, zu detektieren und mittels statistischer Methoden zu analysieren. Dabei konzentrieren wir uns bewusst auf die „gröberen“ Strukturen und nicht auf die Positionen der einzelnen Atome“, erklärt Christian Rentenberger. Das soeben installierte, atomar auflösende UltraSTEM (Scanning Transmission Electron Microscope) eröffnet state-of-the-art Möglichkeiten diese neuen Strukturen in Metallischen Gläsern zu erforschen. In Kombination mit Synchrotron-Beugungsexperimenten und im Vergleich mit Modellrechnungen soll somit ein umfassendes Bild der amorphen Struktur von Metallischen Gläsern erhalten werden.

Basierend auf der Ermittlung der lokalen Ordnung Metallischer Gläser stehen im Rahmen des Forschungsprojektes fundamentale physikalische Fragestellungen in Zusammenhang mit Relaxation und Kristallisation Metallischer Gläser im Fokus. Weiters wird der Einfluss mechanischer und thermischer Behandlungen auf die amorphe Struktur und technologisch wichtige Eigenschaften untersucht. Bei letzteren ist vor allem die hohe Festigkeit gekoppelt mit hoher Elastizität von Interesse, wobei besonders Strategien zur Vermeidung des katastrophalen Bruchs (charakteristisch für Glas) ein zukunftsorientiertes Thema darstellen.

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