Nanostrukturen in Metallen ermöglichen neue Materialien – und Unsichtbarkeit

Menschen kühlen seit Tausenden von Jahren Metallgemische von flüssig auf fest. Überraschenderweise ist nicht viel darüber bekannt, was genau während des Erstarrungsprozesses geschieht. Besonders rätselhaft ist die Verfestigung von Nanostrukturen in Mischungen aus zwei oder mehr festen Phasen.

Ashwin Shahani, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Universität von Michigan, forscht an der Lösung des Rätsels der eutektischen Erstarrung. Seine Arbeit hat ein reiches Spektrum von Stäben, Blechen und Spiralen im Nanomaßstab enthüllt, die sich spontan in abkühlenden Metalllegierungen bilden. Die Ergebnisse seine Arbeit wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „small“ veröffentlicht.

In „Multi-Step Crystallization of Self-Organized Spiral Eutectics“ forscht Professor Shahani, wie Nanostrukturen zu einer neuen Generation von Leichtbaulegierungen und optischen Produkten mit Eigenschaften führen könnte, die monolithischen Materialien überlegen sind.

Unsichtbarkeit und variable Eigenschaften dank Nanostrukturen

„Es ist eine der bemerkenswertesten Leistungen der Natur“, sagte Shahani über die Verfestigung von Metallen. „Wie können sich diese ausgeklügelten Muster spontan aus einer ungeordneten Flüssigkeit bilden? Warum wählt die Natur ein Muster oder eine Konfiguration über ein anderes?“ Dabei seien es eben diese Nanostrukturen, die die Eigenschaften eines Materials bestimmen.

„Wenn wir verstehen können, warum sich eine bestimmte Struktur bildet, können wir einen Herstellungsprozess entwerfen, um sie neu zu erstellen oder sie sogar so zu verändern, dass sie bestimmte Eigenschaften aufweisen, die wir uns wünschen“, so Shahani weiter.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Gezielte Veränderung der Nanostrukturen innerhalb eines Bauteils ermöglichen die Konstruktion von Blechen mit unterschiedlichen Eigenschaften entlang ihrer Oberfläche, zum Beispiel einen Flugzeugflügel, der an einigen Stellen stärker und an anderen leichter ist. Ebenso lassen sich leichtere und treibstoffeffizientere Automobilkomponenten herstellen.

Eine weiteres mögliches Einsatzgebiet ist die Optik, denn Nanostrukturen bestimmen auch das Beugungsverhalten von Licht. Ein Material, das das Licht auf eine bestimmte Art und Weise krümmt, könnte zur Herstellung einer unsichtbaren Beschichtung verwendet werden. Die Studie besagt zudem, dass die Ergebnisse „auf viele Systeme anwendbar [sind], die sich einer mehrstufigen Kristallisation unterziehen.“

Herstellung im großen Maßstab bisher nicht praktikabel

Die Herstellung dieser Materialien ist bereits heute möglich aber „extrem schwierig und zeitaufwendig“, sagte Shahani. Er erklärte weiter: „Wenn wir zum Beispiel ein Spiralmuster im Nanobereich herstellen wollen, müssen wir jede einzelne Spirale mit Hilfe der Lithographie drucken. Das ist für die Herstellung im großen Maßstab nicht praktikabel.“

Viel schneller und skalierbarer wäre es, so Shahani, wenn man diese Spiralen dazu bringen könnte, sich selbst zusammenzusetzen. Wenn wir die Grundlagen der Bildung der Nanostrukturen verstanden haben könnten wir zum Beispiel die Flüssigkeit anders abkühlen oder die Mischung der Metalle leicht verändern.

Das Entscheidende ist das Verständnis, was bei der Abkühlung passiert. Die Materialwissenschaft der letzten Hundert Jahre bestand jedoch darin, ein bereits erstarrtes Material zu zerlegen und unter dem Mikroskop zu betrachten. Dazu sagte Shahani: „Das gibt Ihnen einen sehr begrenzten Einblick in die Vorgänge bei der Erstarrung.“

Eine der größten Herausforderungen besteht gemäß Shahani darin, dass hochauflösende 3D-Bilder sehr datenintensiv sind. Das macht die Forschung sowohl zu einer großen datentechnischen als auch zu einer materialwissenschaftlichen Herausforderung. Außerdem bestehen die meisten technischen Materialien nicht nur aus zwei Komponenten, sondern aus einem Cocktail von Elementen, so Shahani weiter. Zu untersuchen, wie die Chemie die Bildung von Nanostrukturen beeinflusst, ist aktuell Bestandteil der Forschung.