Antiteilchenangriff

Science

Bestimmte Defekte in der Materialstruktur bewirken, dass neuartige nanokristalline Massivmetalle gleichzeitig sehr hart und trotzdem gut verformbar sind. Aber warum? Allmählich beginnt die Wissenschaft zu verstehen.

15. September 2011

Außerordentlich hart und dennoch leicht verformbar – mit diesen besonderen Merkmalen werfen sogenannte nanokristalline Massivmetalle viele Fragen auf. Österreichische Forscher sind im Verständnis atomarer Defekte in einem vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützten Projekt durch Kombination zweier spezieller Methoden einen wesentlichen Schritt weitergekommen.

Die Wissenschafter der TU Graz verfolgten die Veränderungen der Metallstruktur in Echtzeit. Dadurch konnten sie nachweisen, dass atomare Defekte eine zentrale Ursache der interessanten physikalischen Eigenschaften sind. Nanokristalline Metalle setzen sich aus unzähligen Kristalliten, also ›Körnern‹, zusammen, die meist kleiner sind als hundert Nanometer – je kleiner die Körner, desto fester das Metall.

Eigentlich ist die Struktur nanokristalliner Metalle sehr regelmäßig: Die Atome in den Kristallen liegen schichtweise dicht gepackt in Reih und Glied. Doch bei der Herstellung der Metalle schleichen sich atomare Defekte ein, die diese Ordnung brechen. So liegen beispielsweise bestimmte Schichten nicht direkt übereinander, einige Atome fehlen oder Reihen sind gegeneinander versetzt. Die Grazer Materialphysiker haben nun erstmals den direkten experimentellen Nachweis für diese Effekte erbracht, die in engstem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften stehen.

Da atomare Defekte im Nanobereich nicht ohne Weiteres sichtbar sind, arbeiteten die Forscher mit sogenannten Positronen, wie Dr. Wolfgang Sprengel von der TU Graz erklärt: »Ein Positron ist ein Elementarteilchen, das dem Elektron vollständig gleicht – bis auf die elektrische Ladung: Es ist positiv geladen. Treffen ein Positron und ein Elektron aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus und zerstrahlen. Wo atomare Defekte vorliegen, gibt es weniger Elektronen und damit auch weniger Zerstrahlungsereignisse. Die Positronen dienen also quasi als Spione, die detaillierte Auskunft über die atomaren Defekte geben. Diesen Effekt haben wir ausgenutzt, um schnelle Prozesse dieser atomaren Defekte im Metall aufzuklären.« Hierzu griffen die Wissenschafter auf die Unterstützung des Forschungsreaktors FRM II der TU München zurück, wo sie den Positronenstrahl mit der weltweit höchsten Intensität nutzten.

Zusätzlich zur Positron-Elektron-Zerstrahlung maßen die Wissenschafter noch die makroskopische Längenänderung beim Verschwinden der Defekte mit Hilfe der sogenannten Dilatometrie. Eine Kombination mit der Positron-Elektron-Zerstrahlung ist bislang einmalig und lieferte den Nachweis, dass einige der geheimnisvoll anmutenden physikalischen Eigenschaften der nanokristallinen Massivmetalle auf diese Strukturfehler zurückzuführen sind. Ursächlich für diese Defekte ist die Herstellungsgeschichte der Metalle. Für die Produktion von nanokristallinen Massivmetallen sind aufwendige Verfahren nötig, wie die Hochdruck-Torsion (Erich-Schmidt-Institut Leoben). Dabei entstehen die atomaren Defekte.

Das jetzt gemeinsam mit anderen österreichischen Forschungseinrichtungen gewonnene umfassende Verständnis der Grundlagen ist die Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung neuartiger Nanostruktur-Materialien.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011