Superunterkühlte Metallschmelzen

Der Gefrierpunkt eines Gemischs aus Gold und Silizium kann um bis zu 360 Grad herabgesenkt werden.

Beim Schweißen oder der Zucht von Nanodrähten spielt der Phasenübergang von flüssig nach fest eine entscheidende Rolle. Diese Anwendungen im Blick entdeckten nun französische Wissenschaftler, dass eine Metallschmelze aus Gold und Silizium bis zu 360 Grad unterhalb des Gefrierpunkts flüssig bleiben kann. Die Ursache dafür fanden sie in der Wechselwirkung von Tropfen und der unterliegenden Fläche.

Bei 873 Kelvin liegt normalerweise der Gefrierpunkt einer Legierung aus Gold und Silizium ohne jeden Kontakt zu anderen Metallen. Doch Tobias Schülli und seine Kollegen vom Institut Nanosciences et Cryogénie in Grenoble beobachteten eine Erstarrung kleiner Metalltropfen bei deutlich tieferen Temperaturen.

Für diesen Versuch erhitzten sie etwa 200 Nanometer große Cluster aus Goldatomen auf einer Siliziumunterlage. Gemischt mit Siliziumatomen schmolz der Cluster bei etwa 636 Kelvin. Bei der anschließenden Abkühlung jedoch erstarrte der Tropfen nicht bei der gleichen Temperatur, sondern erst bei 513 Kelvin. Dieser Vorgang war beliebig reproduzierbar. Der herabgesenkte Gefrierpunkt ließ sich zudem über den atomaren Aufbau der Siliziumschicht variieren. So beobachteten sie bei einer veränderten Kristallstruktur (Si(001) statt Si (111)) ein Erstarren bei 573 Kelvin.

Um die Ursache für diese stark unterkühlten Metallschmelzen zu finden, beobachteten die Forscher das Kristallisationsverhalten mithilfe von Röntgenstrahlung am ESRF-Synchrotronring in Grenoble. Dabei erkannten sie, dass sich während des Abkühlens die Goldatome zu symmetrischen, pentagonalen Strukturen in die Siliziumgrenzfläche einlagerten. Dadurch wurden offenbar die ebenfalls mit fünf Symmetrieachsen ausgestatteten Ikosaeder der Goldcluster stabilisiert und die Kristallisation zu einem Festkörper der Legierung unterdrückt.

"Solche Prozesse sind wichtig für heutige und zukünftige Technologien", sind Tobias Schülli und seine Kollegen überzeugt. Der britische Physiker A. Lindsay Greer von der University of Cambridge pflichtet ihnen bei und beurteilt die Ergebnisse in einem begleitenden Kommentar: "Diese Ergebnisse haben eine weitreichende Bedeutung nicht nur für die Grundlagen des Frierens, sondern auch für die praktische Kontrolle von Phasenübergängen."

Jan Oliver Löfken

• Institut Nanosciences et Cryogénie:
  http://inac.cea.fr

• ESRF Synchrotron-Labor, Grenoble:
  http://www.esrf.eu/

Weiterführende Literatur:

• J. A. Spittle, Int. Mater. Rev. 51, 247–269 (2006)

• S. H. Oh, Y. Kauffmann, C. Scheu, W. D. Kaplan, M. Rühle, Science 310, 661–663 (2005)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1118611

• A. L. Greer, Nature Mater. 5, 13−14 (2006)

 KP