Forschende der RWTH Aachen untersuchen, wie Defekte und die Anordnung von Atomen die Eigenschaften von Metallen beeinflussen. Die Erkenntnisse des Sonderforschungsbereichs 1394 ‚Strukturelle und chemische atomare Komplexität: Von Defekt-Phasendiagrammen zu Materialeigenschaften‘ sollen dabei helfen, Werkstoffe gezielter zu entwickeln.
Die Forschenden beschreiben ihre Arbeit anhand von zusammengeknüllter Alufolie: Selbst nach sorgfältigem Glattziehen bleiben Knicke und Falten zurück. Der ursprüngliche Zustand lässt sich nicht wiederherstellen. Der Grund dafür liegt tief im Inneren des Materials auf der Ebene einzelner Atome. Solche Defekte gehören den Forschenden zufolge zu den wichtigsten Voraussetzungen für moderne Werkstoffe: „Defekte klingen zunächst negativ. Tatsächlich sind sie für viele Eigenschaften von Metallen unverzichtbar“, erklärt Professorin Sandra Korte-Kerzel, Leiterin des Instituts für Metallkunde und Materialphysik der RWTH Aachen. Ohne sie gäbe es keine Knautschzonen in Autos, keine belastbaren Brücken und keine verformbare Alufolie. Metalle verdanken ihre außergewöhnlichen Eigenschaften gerade den Unregelmäßigkeiten in ihrer atomaren Struktur.
Diese atomaren Unregelmäßigkeiten stehen im Mittelpunkt des Sonderforschungsbereichs, der im Jahr 2020 gestartet ist. Rund 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen daran, wie sich Defekte und die chemische Zusammensetzung von Metallen gegenseitig beeinflussen, und wie sich daraus gezielt neue Materialeigenschaften erzeugen lassen.
Defekte und Phasen
Die Beteiligten erklären, dass zwei grundlegende Bereiche der Materialforschung bisher weitgehend getrennt voneinander betrachtet wurden. Auf der einen Seite stehen die Defekte im Kristallgitter eines Materials, also fehlende Atome, Verschiebungen innerhalb der Struktur oder Grenzflächen zwischen Kristallen. Auf der anderen Seite erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sogenannte Phasen, also die Frage, welche Strukturen entstehen, wenn unterschiedliche metallische Elemente miteinander kombiniert werden.
Wie weiter betont wird, verhält sich nicht jede Mischung gleich: Während sich Gold und Silber problemlos miteinander verbinden lassen, bilden andere Metalle völlig neue Strukturen mit überraschenden Eigenschaften. Diese unterschiedlichen atomaren Anordnungen bestimmen darüber, ob ein Material magnetisch ist oder nicht, ob es besonders hart ist oder eher weich.
Der Aachener Sonderforschungsbereich bringt die beiden Forschungswelten Defekte und Phasen erstmals systematisch zusammen. „Das Wort Defekt-Phasendiagramm gab es vorher für diese Gesamtheit an Defekten nicht“, sagt Korte-Kerzel. Die Forschenden untersuchen, was passiert, wenn sich bestimmte Atome gezielt an Defekten anlagern und wie sich dadurch die Eigenschaften eines Materials verändern. Die Herausforderung sei, dass die Materialien oft nicht so reagieren, wie von den Forschenden angenommen. „Das ist allerdings nicht schlimm: Manchmal kommt man noch zu viel spannenderen Erkenntnissen“, sagt die SFB-Sprecherin, die auch Prorektorin für Forschung der RWTH Aachen ist.
Dabei unterscheiden die Forschenden verschiedene Arten von Defekten. Es gibt Punktdefekte, bei denen einzelne Atome fehlen oder durch andere ersetzt werden. Hinzu kommen Liniendefekte, sogenannte Versetzungen, die dafür sorgen, dass Metalle überhaupt verformbar sind. Schließlich spielen auch Flächendefekte eine entscheidende Rolle, wenn beispielsweise unterschiedlich ausgerichtete Kristalle aufeinandertreffen.
Mit modernen Forschungsmethoden können diese Prozesse genauer untersucht werden. Mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskope machen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einzelne Atomsäulen sichtbar. Gleichzeitig erlauben Computersimulationen, dieselben Prozesse auf atomarer Ebene darzustellen. Auf diese Weise liefern sie die Grundlagen dafür, die je nach Anwendung gewünschten Materialien zu entwickeln. Langwieriges Ausprobieren entfällt, und die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können vorhersagen, welche Atome wie zusammengefügt werden müssen, um die gewünschte Materialeigenschaft zu erhalten.
