Materialforschung

Modell für Fließprozess in Gläsern

Eine Forschergruppe der Universität Göttingen und der Technischen Universität München hat ein Modell entwickelt, das den Zusammenhang zwischen dem makroskopisch-mechanischen Fließprozess und interatomaren Potentialen bei der Herstellung metallischer Gläser analytisch beschreibt.

Viskosität als Funktion der Temperatur für verschiedene metallische Systeme: Die Symbole repräsentieren die experimentellen Daten, die kontinuierliche Linie stellt die theoretischen Anpassungen dar.

Durch Mischen von Elementen entstehen bei hohen Temperaturen metallische Flüssigkeiten, die durch schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur als metallische Gläser erstarren. Dieses Verfahren erzeugt Materialien mit herausragenden mechanischen Eigenschaften, die bereits kommerziell in der Uhrenindustrie und in Mobiltelefonen eingesetzt werden.

Ein wichtiger Kontrollparameter für den Prozess der Glasbildung ist die Viskosität dieser metallischen Flüssigkeiten. Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit: Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger, also weniger fließfähig, ist die Flüssigkeit. Bei einer Temperatur von etwa 300
Grad Celsius wird die Flüssigkeit zu Glas, die Viskosität in der Schmelze steigt um ein Vielfaches an. „Durch Berücksichtigung einer speziellen Bewegung innerhalb der ungeordneten Flüssigkeit konnten wir zeigen, dass die interatomaren Potentiale der Legierung, die sensibel auf die chemische Zusammensetzung reagieren, verantwortlich für die Elastizität, die Viskosität und die Fragilität der Flüssigkeit nahe der Glastemperatur sind“, so Prof. Dr. Konrad Samwer vom I. Physikalischen Institut der Universität Göttingen. Das neue analytische Modell sagt vorher, dass mit steigender Temperatur die Viskosität doppelt-exponentiell ansteigt.

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Darüber hinaus haben die Göttinger in Zusammenarbeit mit Forschern der Arizona State University in Tempe gezeigt, dass diese Fragilität dieser Flüssigkeiten während des viskosen Fließprozesses durch eine mechanische Dehnung enorm geändert werden kann und dass die Glastemperatur selbst vom mittleren Abstand der Atome bestimmt wird. Diese Ergebnisse decken sich mit der nun vorhandenen mathematischen Gleichung. „Die zukünftige Anwendung der mathematischen Gleichungen wird es möglich machen, gezielt makroskopische mechanische Eigenschaften dieser komplexen Materialien zu kontrollieren und eine noch breitere Verwendung in der Industrie zu ermöglichen“, sagt Prof. Samwer. Dazu gibt es in den USA und China bereits eine große Zahl von Startups, die unter anderem auch mit namhaften Smartphone-Herstellern zusammenarbeiten.

Originalveröffentlichung
Johannes Krausser et al. (2015) Interatomic repulsion softness directly controls the fragility of supercooled metallic melts. PNAS. Doi: 10.1073/pnas.1503741112.

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