Im Schmelzofen lassen sich nicht alle Metalle miteinander vermischen. Ein neues Verfahren bringt aber auch widerspenstige Kandidaten zusammen und lässt feste Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften entstehen.
Metalle wie Kupfer und Kobalt lassen sich im Schmelzofen nicht vermischen. Da hilft nur ein Trick: Bei der so genannten Hochverformung werden beide mit extremer Kraft gegeneinander verdreht, so dass sie sich in Nanodimensionen dann doch verzahnen. Solche Werkstoffe haben besondere mechanische und physikalische Eigenschaften: Nanokristalline Metalle aus Kupfer und Kobalt zum Beispiel sind extrem fest. Sie weisen außerdem Strukturen auf, bei denen sich magnetische und nichtmagnetische dünne Schichten abwechseln. Dies führt zu einem Effekt, der auch Riesenmagneto-Widerstand genannt wird. Er spielt bei Schaltsystemen von elektronischen Leiterplatten, etwa in Smartphones, eine wichtige Rolle. Für die Entdeckung dieses Phänomens wurde 2007 der Physik-Nobelpreis verliehen.
Wichtige Anwendungsfelder für nanokristalline Metalle gibt es aber nicht nur in der Elektronikindustrie, sondern auch in der Medizintechnik sowie der Luft- und Raumfahrt. Davon ist eine Materialwissenschaftlerin überzeugt, die sich aktuell mit dem Thema befasst: Dr. Andrea Bachmaier von der Universität des Saarlandes, die für ihre Arbeiten eines der höchst dotierten Stipendien der Republik Österreich, das Erwin-Schrödinger-Stipendium, erhält. Bevor die neuartigen Werkstoffe aber zu einem breiteren Einsatz kommen, sind laut Bachmaier viele Fragen zu klären.
Durch die Hochverformung werden zwei Metalle mit hoher Krafteinwirkung ineinander verwoben. „Wir nehmen dafür ein Metallstück etwa in der Größe einer Fünf-Cent-Münze“, erläutert die Forscherin. Dieses werde zwischen zwei Stempel geklemmt und mit einem Flächendruck von 10 Giga-Pascal in sich verdreht. „Das entspricht etwa dem 100-fachen Wasserdruck an der tiefsten Stelle des Ozeans und ist mit dem Druck zu vergleichen, den man benötigt, um Kohlenstoff in Diamant zu verwandeln.“
Dabei werden die Körner des Metallstücks sukzessive verkleinert. Ab einer gewissen Verformung trete aber eine Sättigung ein, und am Ende weist der gesamte Querschnitt des Werkstoffes eine einheitliche Struktur auf, die auch bei hohen Temperaturen stabil bleibt.
So ein Korn hat einen Durchmesser von ungefähr dem Tausendstel eines menschlichen Haars. Je winziger die Körner sind, desto fester wird das Metall. Die Größe der Kristallite hat aber auch Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffs und seine elektrische Widerstandsfähigkeit. „Je nach Anforderung kann man die Nanostrukturen verändern, um bestimmte Eigenschaften bei einem Werkstoff zu erzeugen“, sagt Bachmaier. So könne man zum Beispiel Verunreinigungen einbauen, um die Kornstrukturen zu stabilisieren. Dazu werden Oxid-Partikel verwendet oder auch Kohlenstoff, der verhindert, dass sich die Korngrenzen weiter ausdehnen.
Während ihres zweijährigen Forschungsaufenthaltes in Saarbrücken will die Materialwissenschaftlerin verschiedene elektronenmikroskopische Verfahren für ihre Analysen nutzen. Ihre Forschungsarbeit wird von Christian Motz, Professor für experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes, betreut. op
Weitere Informationen Über die Werkstoff-Experten: www.materialwissenschaft.uni-saarland.de/
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