Schwebende Metallschmelze durchleuchtet
Synchrotronstrahlung offenbart Strukturveränderungen beim Abkühlen von unterkühltem flüssigen Metall.
In unterkühlten Flüssigkeiten gibt es Phänomene, die dann zutage treten, wenn man sie mit besonders hellen Röntgenstrahlen durchleuchtet. Werden flüssige Metallgemische langsam abgekühlt, so entsteht vor ihrem Übergang in die feste Phase eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration, aber stärker geordneter Struktur. Diese Struktur haben Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes in einem gemeinsamen Projekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) nun erstmals nachgewiesen. Sie brachten dazu am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg Metalltröpfchen in die Schwebe und durchstrahlten sie beim Abkühlen mit einer der stärksten Röntgenquellen der Welt.
Abb.: Metalltröpfchen in „elektrostatischer Levitation“: Das heiße Tröpfchen schwebt im Vakuum zwischen zwei Elektroden, während es mit Synchrotronstrahlung durchleuchtet wird. (Bild: Institut für Materialphysik im Weltraum, DLR)
Shuai Wei, Doktorand bei Ralf Busch am Saarbrücker Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe, hat solche Phänomene nun gemeinsam mit Forscherkollegen vom DLR und vom IFW beobachten können. „Wir haben erstmals nachweisen können, dass sich eine Flüssigkeit, die abgekühlt wird, in eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration aber höherer Ordnung umwandelt, bevor bei weiterer Abkühlung die Kristallisation einsetzt“, sagt Shuai Wei. Dabei interessieren sich Busch und sein Team insbesondere für flüssige Metalle, die bei Abkühlung zu massivem metallischem Glas erstarren. Diese haben als Konstruktionswerkstoffe besondere Eigenschaften.
Um den Flüssig-Flüssig-Übergang bei Metallen genau zu studieren, machten die Wissenschaftler am DESY Experimente mit positiv geladenen, zwei bis drei Millimeter großen Metalltröpfchen. Diese wurden im Vakuum zwischen zwei Elektroden „levitiert“, also in Schwebe gebracht. Der Vorteil dieser elektrostatischen Levitation: „Beim Schweben im elektrischen Feld hat das Tröpfchen keinen Kontakt zur Umgebung, dadurch können sich keine kristallinen Keime bilden und die Kristallisation wird verzögert“, erklärt Shuai Wei. Anschließend wurden die schwebenden Tröpfchen um mehrere hundert Kelvin abgekühlt und während der Abkühlung im Synchrotron DORIS-III mit besonders intensiver Röntgenstrahlung durchleuchtet. „Jede Aufnahme lief innerhalb einer Sekunde ab – in einem ‚normalen‘ Röntgengerät würde sie mehrere Stunden dauern“, erklärt Ralf Busch. „So konnte der Abkühlungsprozess kontinuierlich beobachtet werden – und es zeigten sich Phänomene in den Metalltröpfchen, die sonst nicht sichtbar sind: Ihre Struktur zeigt eine größere Ordnung bei gleichbleibender Dichte.“
Dass sich darüber hinaus auch die Viskosität und der Energieinhalt der Flüssigkeit verändern – dafür habe es schon früher Anzeichen gegeben, ergänzt Shuai Wei und fasst die neuen Erkenntnisse seiner Forschungen so zusammen: „Durch den Nachweis dieser Strukturveränderung konnten wir zeigen, dass sich innerhalb der flüssigen Phase eine ‚fragile‘, wenig geordnete Flüssigkeit, in eine so genannte ‚starke‘ Flüssigkeit mit höherer Ordnung umwandelt.“ Diese Prozesse waren unterhalb von 1200 bis hin zu 800 Kelvin nachweisbar. Die Ergebnisse helfen, besser zu verstehen, wie sich Materie organisiert, wenn sie kühlt, so Wei. Mithilfe der besonderen Eigenschaften von metallischen Gläsern ließen sich dann noch bessere Werkstoffe herstellen.
UdS / DE
