Metallglas: Glühende Glaströpfchen auf der ISS

Metallisches Glas hart, elastisch und widerstandsfähig. Das Material ist allerdings schwierig herzustellen. Mit Materialproben aus dem 3D-Laserdrucker lässt sich das Rätsel um die metallischen Gläser allerdings nicht vollständig lösen. Um zu erfahren, bei welchen Temperaturen diese Kristalle entstehen und wie sie wachsen, werden Proben auf der ISS untersucht.

Quelle: Airbus Defence and Space

Schwerelos für Sekunden: Wissenschaftler der Universität Ulm bei einem Schmelzversuch im Zero-G-Airbus der Firma Novespace.

Derzeit forschen Wissenschaftler der EMPA an «metallischem Glas». Dieses sieht aus wie Weissgold, ist hart wie Quarzglas, sehr elastisch und widerstandsfähig gegen Salze oder Säuren. Es ist allerdings schwierig herzustellen: Speziell ausgewählte Metall-Legierungen müssen bis zu hundertfach schneller abgekühlt werden, damit sich die Metallatome nicht zu Kristallgittern zusammenlagern. Nur wenn die Schmelze schockartig erstarrt, bildet sie ein Glas. In der Industrie werden dünne Folien metallischer Gläser erzeugt, indem die Schmelze zwischen schnell rotierende Kupferwalzen gepresst wird. Forscher giessen bisweilen ihre Proben in Gussformen aus massivem Kupfer, das die Wärme besonders gut abführt. Doch grössere, massive Werkstücke aus metallischem Glas sind mit diesen Methoden nicht machbar.

Metallisches Glas mit Röntgenstrahlen untersucht

 Antonia Neels beschäftigt sich seit rund 15 Jahren mit diesem geheimnisvollen Material. Die Leiterin des Empa-Röntgenzentrums untersucht die innere Struktur von metallischem Glas mit verschiedenen Röntgenmethoden und entdeckt dadurch Zusammenhänge mit Eigenschaften wie Verformbarkeit oder Bruchverhalten. «Mit Strahlung verschiedener Wellenlängen können die Eigenschaften der chemischen Bindungen bestimmen», erläutert Neels.

Zusätzlich verrät die bildgebende Röntgenanalyse, etwas über Dichteschwankungen in der Probe. Die Dichteunterschiede zwischen den glasigen und den kristallinen Bereichen sind allerdings nur winzig klein. Es braucht daher eine detaillierte Bildbearbeitung, um die dreidimensionale Verteilung der kristallinen Anteile sichtbar machen zu können. Doch allein mit Materialproben aus dem 3D-Laserdrucker lässt sich das Rätsel um die metallischen Gläser nicht vollständig lösen. «Wir müssen wissen, bei welchen Temperaturen diese Kristalle entstehen und wie sie wachsen.»

Quelle: Empa

Empa-Forscherin Antonia Neels leitet das Zentrum für Röntgenanalytik. Sie ist Expertin für metallische Gläser und wird die Proben aus der ISS analysieren.

Metallisches Glas wird im All untersucht

In einigen Monaten wird eine Probe dieses geheimnisvollen Materials – unter Beteiligung der Empa und einer Hightech-Firma aus La Chaux-de-Fonds – deshalb in der Schwerelosigkeit der internationalen Raumstation ISS untersucht.  Aus den weit detaillierteren Daten eines früheren Weltraumflugs wollen die Forscher eine Computersimulation der Schmelze generieren. Damit sind alle Antworten durch eine Kombination von Experimenten auf der Erde und im All in einem einheitlichen Modell versammelt: Bei welcher Temperatur herrscht welche Viskosität und Oberflächenspannung? Wann bilden sich Kristalle welcher Zusammensetzung, Grösse und Ausrichtung? Wie beeinflusst diese innere Materialstruktur die Eigenschaften des metallischen Glases? Aus all diesen Parametern wollen die Forscher gemeinsam mit dem Industriepartner PX Group eine Herstellungsmethode entwickeln, um das begehrte Material in definierter Form produzieren zu können. (mtg/cet)