Materialforschung mit Antiteilchen

Echtzeit-Beobachtung atomarer Defekte wirft Licht auf die rätselhaften Eigenschaften nanokristalliner Materialien.

Bestimmte Defekte in der Materialstruktur sind dafür verantwortlich, dass neuartige nanokristalline Massivmetalle gleichzeitig sehr hart und trotzdem gut verformbar sind. Da diese Defekte auf der atomaren Ebene der Metallstruktur vorkommen, sind sie experimentell schwer untersuchbar. Jetzt sind österreichische Forscher von der Technischen Universität Graz im Verständnis dieser atomaren Defekte einen wesentlichen Schritt weitergekommen. Gelungen ist dieser Schritt durch Kombination zweier spezieller Methoden.

Ziel der Wissenschafter war, die Veränderungen der Metallstruktur in Echtzeit mitzuverfolgen. Dadurch konnten sie nachweisen, dass atomare Defekte eine zentrale Ursache der interessanten physikalischen Eigenschaften sind. Nanokristalline Metalle setzen sich aus unzähligen Kristalliten bzw. Körnern zusammen, die meist kleiner sind als hundert Nanometer – je kleiner die Körner, desto fester das Metall. Eigentlich ist die Struktur von nanokristallinen Metallen 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 bzw. einige Atome fehlen oder Reihen sind gegeneinander versetzt. Die 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 Positronen, die sich beim Auftreffen auf Elektronen gegenseitig auslöschen und zerstrahlen. An jenen Stellen, wo atomare Defekte vorliegen, gibt es weniger Elektronen und damit auch weniger Zerstrahlungsereignisse - die Positronen gaben also detaillierte Auskunft über die atomaren Defekte. 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 Forscher noch die makroskopische Längenänderung beim Verschwinden der Defekte – mithilfe von Dilatometrie. Eine Kombination mit der Positron-Elektron-Zerstrahlung ist bislang einmalig und lieferte den Nachweis, dass einige der rätselhaften 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 zum Beispiel Hochdruck-Torsion. Dabei entstehen die atomaren Defekte.

FWF Wissenschaftsfonds / AL