Struktur metallischer Gläser entschlüsselt

Extrem hart und widerstandsfähig: Diese Eigenschaften zeichnen die noch junge Materialklasse der sogenannten metallischen Gläser aus. Anders als in konventionellen, kristallinen Metalllegierungen lagern sich die Atome ungeordnet zu einer amorphen Struktur zusammen. Das macht bisher eine physikalische Beschreibung der metallischen Gläser schwierig. Doch Physiker entdeckten nun eine Möglichkeit, etwas Ordnung in die auf den ersten Blick chaotischen Strukturen zu bringen. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie, dass die Atome in metallischen Gläsern exotische Fraktalstrukturen bilden können. Mit dem geometrischen Modell der Fraktale lassen sich beispielsweise auch die ähnlichen, aber nie identischen Strukturen von Blumenkohl erklären.

Eine Ansammlung von Bällen ballt sich dicht in der Mitte zusammen und franst an den Rändern aus.
Simulation eines metallischen Glases

„Gläser sind eigentlich immer amorph ohne jede regelmäßige Struktur“, sagt David Chen vom California Institute of Technology (Caltech). „Doch unsere Analyse zeigte nun, dass metallische Gläser ein spezifisches fraktales Muster aufweisen können.“ Zusammen mit Kollegen von der Stanford University und dem Carnegie Institute of Washington in Argonne führte Chen dazu zahlreiche Strukturanalysen an verschiedenen metallischen Gläsern durch. Dazu nutzten sie die Methode der Röntgenbeugung und verglichen die Ergebnisse mit komplexen molekulardynamischen Simulationen.

Ein metallisches Glas aus Kupfer, Zirkonium, Aluminium und Beryllium beispielsweise zeigte auf den ersten Blick nicht die geringste atomare Ordnung. Doch im Nahbereich direkt benachbarter Atome fanden sich Hinweise auf fraktale Strukturen. Chen und Kollegen machten dafür haufenartige Ansammlungen, sogenannte Perkolationscluster, im amorphen Material verantwortlich. Diese Cluster könnten sich bereits in einer flüssigen Metallschmelze bilden. Beim schockartigen Erstarren dieser Schmelze ließen sie sich quasi einfrieren und im festen metallischen Glas eng zusammenpressen.

Diese Studie bestätigt bereits vor wenigen Jahren geäußerte Vermutungen, dass fraktale Strukturen in metallischen Gläsern vorliegen könnten. Auf dieser Basis könnten nun die ungewöhnlichen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit besser verstanden werden.