Schnellen Phasenumwandlungen auf der Spur

Metallische Gläser sind meta­stabile Materialien mit spezifischer atomarer Anordnung und Eigen­schaften. Sie sind in der Regel härter, korrosions­beständiger und fester als gewöhnliche Metalle. Sie entstehen, indem die natürliche Kristal­li­sation verhindert wird. Das kann zum Beispiel durch rasches Abkühlen der Schmelze geschehen, so dass den Atomen die Beweglich­keit genommen wird, bevor sie die Kristall­anordnung einnehmen können. Der umgekehrte Prozess – rasches Erhitzen von metallischen Gläsern – ermöglicht die Bildung von Nicht­gleich­gewichts­zuständen und Strukturen mit einzigartigen physika­lischen und mechanischen Eigen­schaften. Allerdings blieben in situ Unter­suchungen der Phasen­umwand­lungen aufgrund ihrer Schnellig­keit im Milli­sekunden­bereich bislang eine Heraus­forderung.

Einem internationalen Forscherteam ist es jetzt gelungen, die Umwandlungs­prozesse mit hoher zeitlicher Auflösung über den gesamten Temperatur­bereich der Existenz der unter­kühlten Schmelze live zu beobachten. Die Wissen­schaftler unter­suchten die Phasen­umwandlungen in einem rasch erhitzten Kupfer-Zirkon-Aluminium-Glas mittels verschiedener, sich ergänzender, Verfahren. Dazu nutzte das Team in situ Röntgen­beugung an der Synchrotron­quelle PETRA III am DESY in Hamburg und die am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werk­stoff­forschung Dresden entwickelten Anlagen für die elektro­magnetische Levitation und das Rasch-Erhitzen.

Darüber hinaus wurden Struktur­unter­suchungen durch die in situ Transmissions­elektronen­mikroskopie an der University of Cambridge in Groß­britannien und Mikro­struktur­analysen am MPI für Eisen­forschung in Düsseldorf durch­geführt. Mittels Auger- und Röntgen­photo­elektronen­spektroskopie konnte am IFW Dresden die Oberflächen­chemie unter­sucht werden.

Die einzigartige Kombination von experi­men­tellen Methoden ermöglichte einen zuvor unzugäng­lichen Einblick in die Mechanismen und Kinetik der Phasen­umwand­lungen mit hoher zeitlicher Auflösung über den gesamten Temperatur­bereich der Existenz der unter­kühlten Schmelze. Damit können die Bedingungen, unter denen das Glas Strukturen mit vorteil­haften Material­eigen­schaften ausbilden kann, erstmals in situ definiert werden. Dieser Ansatz lässt sich auch für die Unter­suchungen von Phasen­umwand­lungen in anderen metal­lischen glas­bildenden Systemen anwenden.

IFW Dresden / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Orava et al.: In situ correlation between metastable phase-transformation mechanism and kinetics in a metallic glass, Nat. Commun. 12, 2839 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-23028-9
• Solidification Processes, Institut für komplexe Materialien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden