Warum Defekte in Metallen erwünscht sind

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. Damit sie noch leistungsfähiger, widerstandsfähiger und effizienter werden.

Wer schon einmal Alufolie zusammengeknüllt hat, kennt das Ergebnis: Selbst nach noch so viel sorgfältigem Glattziehen bleiben Knicke und Falten zurück. Der ursprüngliche Zustand lässt sich nicht wiederherstellen. "Da können Sie noch so viel im Fitnessstudio trainieren, die Muskelkraft wird spätestens bei etwas dickeren Stücken nicht mehr ausreichen", sagt Professorin Sandra Korte-Kerzel, Leiterin des Instituts für Metallkunde und Materialphysik der RWTH Aachen. Der Grund dafür liegt tief im Inneren des Materials: auf der Ebene einzelner Atome.

Was auf den ersten Blick wie ein Makel erscheint, ist tatsächlich eine der wichtigsten Voraussetzungen für moderne Werkstoffe: Defekte. "Defekte klingen zunächst negativ. Tatsächlich sind sie für viele Eigenschaften von Metallen unverzichtbar", erklärt Korte-Kerzel. 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 (SFB) 1394 "Strukturelle und chemische atomare Komplexität: Von Defekt-Phasendiagrammen zu Materialeigenschaften", der im Jahr 2020 gestartet ist. Rund 50 Wissenschaftler untersuchen eine Frage, die für die Entwicklung zukünftiger Werkstoffe von zentraler Bedeutung ist: Wie beeinflussen sich Defekte und die chemische Zusammensetzung von Metallen gegenseitig, und wie lassen sich daraus gezielt neue Materialeigenschaften erzeugen?

Bislang wurden zwei grundlegende Bereiche der Materialforschung weitgehend getrennt voneinander betrachtet. 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 Wissenschaftler sogenannte Phasen: also die Frage, welche Strukturen entstehen, wenn unterschiedliche metallische Elemente miteinander kombiniert werden.

Denn nicht jede Mischung verhält sich 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 ist, 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.

Erst moderne Forschungsmethoden machen es möglich, diese Prozesse genauer zu untersuchen. Mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskope machen die Wissenschaftler einzelne Atomsäulen sichtbar - ein technologischer Durchbruch, der erst seit etwa 15 Jahren zur Verfügung steht. Gleichzeitig erlauben leistungsfähige Computersimulationen, dieselben Prozesse auf atomarer Ebene darzustellen.

Auf diese Weise liefern sie die Grundlagen dafür, die je nach Anwendung gewünschten Materialien zu entwickeln. Und das ganz ohne langwieriges Ausprobieren, sondern indem sie vorhersagen können, welche Atome wie zusammengefügt werden müssen, um die gewünschte Materialeigenschaft zu erhalten. Was mit einer zerknitterten Alufolie beginnt, könnte den Weg zu den Materialien der Zukunft weisen.

Quelle: RWTH Aachen