Schnellen Phasenumwandlungen auf der Spur

Einzigartige Kombination von experimentellen Techniken offenbart die Phasenumwandlung eines metallischen Glases.

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. Dies 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 Forschungsteam ist es nun gelungen, die Umwandlungsprozesse mit hoher zeitlicher Auflösung über den gesamten Temperaturbereich der Existenz der unterkühlten Schmelze live zu beobachten.

In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Arbeit berichten die Forschenden über die Untersuchungen von Phasenumwandlungen in einem rasch erhitzten Kupfer-Zirkon-Aluminium-Glas mittels verschiedener, sich ergänzender, Verfahren. Dazu nutzte das Forschungsteam in situ Röntgenbeugung an der Synchrotronquelle PETRA III (DESY Hamburg) und die am IFW Dresden entwickelten Anlagen für die elektromagnetische Levitation und das Rasch-Erhitzen.

Darüber hinaus wurden Strukturuntersuchungen durch die in situ Transmissionselektronenmikroskopie an der Universität Cambridge (UK) und Mikrostrukturanalysen am MPIE Düsseldorf durchgeführt. Mittels Auger- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie konnte am IFW Dresden die Oberflächenchemie untersucht werden. Diese einzigartige Kombination von experimentellen Methoden ermöglichte einen bisher 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.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, Projekt-Nr. KA 3209/9-1 (I. Kaban, IFW Dresden) und HE 7225/1-1 (M. Herbig, MPIE Düsseldorf).

Diese Publikation ist als „Editors Highlight“ im Bereich Materialforschung und Chemie unter den 50 besten Arbeiten gelistet, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurden.
https://www.nature.com/collections/eecgdgijhh

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Ivan Kaban
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E-Mail: i.kaban(at)ifw-dresden.de

Originalpublikation:

J. Orava, S. Balachandran, X. Han, O. Shuleshova, E. Nurouzi, I. Soldatov, S. Oswald, O. Gutowski, O. Ivashko, A.-C. Dippel, M. v. Zimmermann, Y.P. Ivanov, A.L. Greer, D. Raabe, M. Herbig & I. Kaban, In situ correlation between metastable phase transformation mechanism and kinetics in a metallic glass, Nature Commun., 2021, Vol. 12, Article No. 2839; DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23028-9

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