So massiv ein Metallblock daherkommt, besteht er doch aus vielen mehr oder weniger kleinen Kristallen. Deren atomare Struktur bestimmt ?zusammen mit Verunreinigungen und schwankenden Anteilen verschiedener Elemente ?Festigkeit, Leitfähigkeit und Bruchverhalten von Legierungen. Mit intensiven Röntgenstrahlen beobachteten dänische Physiker nun erstmals, wie sich Metallatome nach einer Deformation und unter Hitze zu neuen Kristallen anordnen. Dieser vierdimensionale Blick mit drei Raumdimensionen und einer Zeitkomponente bereitet einen neuen Weg, Metall-Legierungen besser an ihre Anforderungen anzupassen. Über die ersten Ergebnisse an Aluminium-Proben berichten die Forscher im Fachblatt Science (Vol. 305, S. 229).
“Solche Experimente sind essentiell, um die grundlegenden Mechanismen von Korngrenzen bei ihrer Wanderung durch deformierte Proben zu verstehen”, erklären Søren Schmidt und seine Kollegen vom nationalen Forschungszentrum Risø im dänischen Roskilde. Eine räumliche Auflösung auf Mllionstel Meter genau erreichten sie mit fokussiertem Röntgenlicht, das für solche Experimente am Synchrotronlabor ESRF in Grenoble zur Verfügung steht. Viele Male hintereinander beobachteten die Wissenschaftler so die Neuanordnung von Aluminium-Atomen, nachdem die Metallprobe mechanisch verformt wurde. Aus einer 30-stündigen Langzeitbeobachtung erhielten sie insgesamt 73 Einzelbilder. Zusammengesetzt ergaben diese einen Film, der diesen relativ langsamen, aber für das Materialverhalten bedeutenden Prozess der so genannten Rekristallisation genau wiedergibt.
“Die Charakterisierung von Mikrostrukturen in vier Dimensionen eröffent großartige Möglichkeiten für die Materialwissenschaften”, sagt der niedeländische Experte Erik Offerman von der Technischen Universität in Delft. Denn die bahnbrechenden Messungen an Aluminium sind nur ein erster Schritt: Eine Neuanordnung der Kristalle spielt auch in zahlreichen Metall-Legierungen, Stählen und selbst in speziellen Kunststoffen eine große Rolle. Gelingt es den Physikern, ausgehend von ihren Beobachtungen dieses Mikroverhalten in theoretischen Modelle zu fassen, könnten gezielt völlig neue Materialverbindungen mit bisher unerreichten Eigenschaften von einer hohen Festigkeit über Wärmestabilität bis zur gewünschten Leitfähigkeit entwickelt werden.
Jan Oliver Löfken
