Kühlen macht metallische Gläser flexibler

Metallische Gläser zählen zu den stabilsten Materialien überhaupt. Der Grund für die extrem hohe Festigkeit liegt in der inneren, nicht kristallinen Struktur. Allerdings lassen sich metallische Gläser auch kaum verformen. Diesen Nachteil für zahlreiche Anwendungen etwa als Baustoff oder Zahnimplantat konnte nun eine Forschergruppe teilweise beseitigen. Wie die Materialexperten in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie die Verformbarkeit, auch Plastizität genannt, durch mehrfaches Abkühlen einiger Proben steigern.

Querschnitte durch ein kristallines Metall und ein metallisches Glas: Die linke Darstellung des kristallinen Metalls zeigt schematisch wabenförmige Kristallkörner, die sich mit kleinen Zwischenräumen passend ineinander fügen. Der rechte Querschnitt durchs metallische Glas zeigt eine zufällig erscheinende Anordnung von hunderten Atomen, aus vier verschieden großen Atomsorten. In der Natur können natürlich noch mehr Atomsorten vorkommen.
Die Anordnung der Atome bestimmt die Materialeigenschaften.

„Ein zyklisches Abkühlen ist sehr attraktiv, da es zerstörungsfrei erfolgt und die Form selbst nicht ändert“, schreiben Sergei Ketov von der Tohoku University im japanischen Sendai und seine Kollegen von der University of Cambridge in Großbritannien. Für ihre Versuche stellten sie mehrere metallische Gläser aus Elementen wie Lanthan, Nickel, Aluminium und Kupfer her. Dabei mussten die geschmolzenen Metallmischungen schockartig abgekühlt werden, sodass sich kein geordnetes Kristallgitter, sondern die ungeordnete, glasartige Struktur ausbildete.

Diese Proben in der Form von kleinen Stäben oder flachen Bändern kühlten sie wiederholt fast bis auf minus 200 Grad ab. Nach 10 bis 15 Kühl- und Aufwärmzyklen stieg die Verformbarkeit der metallischen Gläser um bis zu acht Prozent. Verantwortlich dafür waren sogenannte „Soft Spots“ im Material, die sich nach den Kühlzyklen vermehrten. Diese Einschlüsse waren zwar nur wenige millionstel Millimeter groß, doch vergrößerten sie messbar die Verformbarkeit des Materials.

Viele weitere Arbeitsgruppen erforschen derzeit neue Rezepturen und Eigenschaften von metallischen Gläsern. So fertigten etwa Marios Demetriou und seine Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena aus Phosphor, Silizium, Silber und Palladium ein metallisches Glas, das so bruchfest war wie die allerbesten Spezialstähle. Wegen der verwendeten, teuren Metalle wären höchstens Anwendungen als Zahnimplantate vorstellbar. Doch mit immer neuen und günstigeren Zusammensetzungen könnten metallische Gläser, die extrem fest und dennoch leichter verformbar wären, in Zukunft auch in der Industrie oder für Brückenbauten genutzt werden.