MIT-Studie zeigt verborgene atomare Muster in Metalllegierungen

Bei der Verarbeitung von Metalllegierungen in der Fertigung vermischen sich die Atome der kombinierten Elemente nach gängiger Auffassung zufällig. Neue Forschungsergebnisse stellen diese Annahme jedoch infrage: Sie zeigen verborgene atomare Muster, die erhalten bleiben.

Die Studie stammt von Forschenden des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die Eigenschaften von Metallen während der Herstellung gezielt zu steuern.

Jüngste Laboruntersuchungen haben feine Muster in Metalllegierungen aufgedeckt, die sich anpassen lassen, um Materialeigenschaften wie mechanische Festigkeit, Haltbarkeit und Strahlungsbeständigkeit zu verbessern. Die neue Untersuchung zeigt anhand von Simulationen, wie solche Muster – ebenso wie einige bislang unbekannte – selbst nach intensiver Verarbeitung entstehen und fortbestehen.

Atomare Muster in Metalllegierungen

„Dies ist die erste Arbeit, die diese Nichtgleichgewichtszustände nachweist, die im Metall erhalten bleiben“, sagt Rodrigo Freitas, Materialwissenschaftler am MIT.

„Derzeit steuern oder berücksichtigen wir diese chemische Ordnung bei der Herstellung von Metallen nicht.“

Die neuen Erkenntnisse sind ohne Vorkenntnisse der Physik von Metalllegierungen nicht leicht einzuordnen. Bei der in der Studie untersuchten chemischen Nahordnung (SRO) handelt es sich um die Anordnung, die Atome innerhalb von Metalllegierungen einnehmen.

Das Team führte detaillierte Computersimulationen durch, um die Wechselwirkungen von Millionen Atomen in einer Legierung aus Chrom, Kobalt und Nickel (CrCoNi) während intensiver, in der Fertigung üblicher Verformungsprozesse nachzuverfolgen – konkret bei schnellem Abkühlen und starkem Strecken.

Zunächst beobachteten die Forschenden bekannte atomare Muster, die nach derart schnellen Verformungen eigentlich nicht mehr intakt sein sollten. Darüber hinaus entdeckten sie völlig neue Strukturen, die sie als „Zustände fern vom Gleichgewicht“ bezeichnen.

Defekte erhalten die chemische Nahordnung

Entscheidend für das Fortbestehen dieser Zustände sind den Modellen zufolge Defekte, auch Versetzungen genannt. Sie entstehen in der Kristallstruktur von Metallen beim Erhitzen, Abkühlen oder Strecken. Diese Strukturen ähneln Kritzeleien auf atomarer Ebene und ermöglichen es dem Metall, den auf es einwirkenden Belastungen standzuhalten.

Bisher ging man davon aus, dass Verformungen und die anschließende Bewegung dieser Defekte die chemische Nahordnung weitgehend auslöschen. Die Simulationen des Forschungsteams zeigen jedoch, dass sich die Atome mit einer gewissen Vorhersagbarkeit neu anordnen.

„Diese Defekte haben chemische Präferenzen, die ihre Bewegung lenken. Sie suchen Wege mit niedriger Energie. Wenn sie also zwischen dem Aufbrechen chemischer Bindungen wählen können, lösen sie bevorzugt die schwächsten Bindungen – es geschieht nicht vollkommen zufällig“, sagt Freitas.

„Das ist sehr spannend, weil es sich um einen Nichtgleichgewichtszustand handelt: Er wäre nichts, das in Materialien auf natürliche Weise vorkommt.“

Mit anderen Worten: Diese neu entdeckten Muster entstehen ausschließlich durch Herstellungsprozesse. Anschließend beeinflussen sie wiederum verschiedene Eigenschaften des Metalls – ein Aspekt, den künftige Studien genauer untersuchen können.

Metalllegierungen gezielter abstimmen

Die zugrunde liegende Physik ist zwar komplex, doch die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Eigenschaften von Metalllegierungen auf bislang nicht berücksichtigte Weise fein abstimmen lassen könnten. Das gilt für Anwendungen vom Kernreaktor bis zum Raumfahrzeug, weil sich ihre Atome nicht vollständig durcheinanderbringen lassen.

„Die Schlussfolgerung lautet: Man kann die Atome in einem Metall niemals vollständig zufällig verteilen. Es spielt keine Rolle, wie man es verarbeitet“, sagt Freitas.

„Dass man etwas nicht vollständig miteinander vermischen kann, damit hatte niemand gerechnet.“

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.