Durch Hochverformung erzeugt Forscherin neue Metalle mit besonderen Eigenschaften
Metalle wie Kupfer und Kobalt lassen sich im Schmelzofen nicht vermischen. Da hilft nur ein Trick: Bei der so genannten Hochverformung werden beide Metalle in einer Art Schraubstock mit extremer Kraft gegeneinander verdreht, um sich in Nanodimensionen zu verzahnen. Andrea Bachmaier, Materialwissenschaftlerin an der Universität des Saarlandes, erforscht solche nanokristallinen Metalle, die besondere mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Sie erhielt dafür eines der höchst dotierten Stipendien der Republik Österreich, das Erwin-Schrödinger-Stipendium, das jungen Wissenschaftlern aus Österreich einen Aufenthalt an international renommierten Forschungseinrichtungen gewährt.
Die Abbildung zeigt eine transmissionselektronische Aufnahme einer nanokristallinen, hochverformten Mikrostruktur.
Universität des Saarlandes
Nanokristalline Metalle, die sich zum Beispiel aus Kupfer und Kobalt zusammensetzen, 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 des Phänomens wurde 2007 der Physik-Nobelpreis verliehen“, erklärt Andrea Bachmaier. Sie sieht daher nicht nur in der Elektronikindustrie wichtige Anwendungsfelder für nanokristalline Metalle, sondern auch in der Medizintechnik sowie der Luft- und Raumfahrt. Bevor die neuartigen Werkstoffe aber zu einem breiteren Einsatz kommen, sind noch viele Forschungsfragen zu klären. „Wir müssen noch genauer verstehen, was bei der Hochverformung der Metalle auf der Nano-Ebene genau passiert und welche Eigenschaften sich daraus ableiten lassen“, sagt die promovierte Materialwissenschaftlerin.
Durch die Hochverformung werden zwei Metalle, die sich im geschmolzenen Zustand nicht vermischen, mit hoher Krafteinwirkung ineinander verwoben. „Wir nehmen dafür ein Metallstück etwa in der Größe einer Fünf-Cent-Münze. Diese wird zwischen zwei Stempel geklemmt und mit einem Flächendruck von zehn 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“, erläutert Bachmaier. Dabei werden die Körner des Metallstücks sukzessive verkleinert, ab einer gewissen Verformung tritt aber eine Sättigung ein. Am Ende weist der gesamte Querschnitt des Werkstoffes eine einheitliche Struktur auf, die auch bei hohen Temperaturen stabil bleibt. Die Verzahnung der beiden unterschiedlichen Metalle Kupfer und Kobalt lässt sich nur in Nanodimensionen nachvollziehen. „In der Materialforschung spricht man dabei von Körnern oder Kristalliten. Das sind Bereiche im Inneren des Materials, die eine Kristallstruktur aufweisen, sich aber in ihrer Ausrichtung von den benachbarten Körner unterschieden“, erläutert die Forscherin.
Ein Korn hat ungefähr den Durchmesser vom 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“, nennt Bachmaier als Vorteil. 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. Dazu zählen das Rasterelektronenmikroskop, die Electron Backscatter Diffraction (EBSD), mit der man die Struktur von Kristallen analysieren kann, sowie die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), mit der man die Zusammensetzung der Elemente einer Probe erkennen kann. Auch die Atomsonden-Tomographie der Saar-Uni, die dabei hilft, einzelne Atome einer Materialprobe zu bestimmen, will Andrea Bachmaier einsetzen. Ihre Forschungsarbeit wird von Christian Motz, Professor für experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes, betreut.
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