Rotierende Strukturen in A) Metalldeformationsexperimenten mit Aluminium (weiß) und Kupfer (rötlich), B) Computersimulationen und C) Gesteinen in West-Australien. All diese Strukturen sind durch einen ähnlichen physikalischen Prozess entstanden.
A) Mohsen Pouryazdan | KIT, B) Boris Kaus | JGU, C) Cees Passchier | JGU
Die Forschergruppe um Prof. Dr. Boris Kaus vom Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) zeigt in ihrer Arbeit, dass dieselbe Instabilität, die kilometerdicke Felslagen über lange Zeiträume zur Faltung bringt, auch auf Mikrometerebene, in diesem Fall bei Metallen, wirksam ist. Ausgangspunkt war eine Arbeit der Karlsruher Kollegen um Prof. Dr. Horst Hahn, die zum ersten Mal mechanisches Mixen von Metallen in dreidimensionaler Form zeigen konnten. Mechanisches Mixen erfolgt, wenn zum Beispiel zwei Metalle aufeinanderdrücken und deformiert werden. In der 3D-Darstelllung zeigte sich, dass dieses Mixen komplizierter aussieht als der Verlauf im Experiment hätte erwarten lassen. Insbesondere treten rotierende Strukturen auf, die Ähnlichkeiten mit Wolken oder Flüssigkeiten aufweisen und daher zunächst als Kelvin-Helmholtz-Instabilität gedeutet wurden.
Strukturen ähneln Gesteinsdeformationen
Tatsächlich aber finde sich eine weit größere Übereinstimmung der rotierenden Strukturen mit geophysikalischen Strukturen. "Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten konnten nicht die Lösung für das Problem sein, weil sich Luft und Wasser viel schneller bewegen als Metalle und deswegen die grundlegende Physik anders ist", erklärt Kaus. Die Mainzer Forscher wiesen nach, dass die in Karlsruhe gefundenen Strukturen Ähnlichkeiten mit Gesteinsdeformationen im Gebirge zeigen und die grundlegende Physik praktisch identisch ist. Die Forschungsarbeit, die in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erfolgte, wurde von Nature Communications publiziert. Darin stellen die Forscher eine Strategie vor, die zeigt, wie die morphologische Entwicklung bei sich verformenden Feststoffen, bestehend aus mehreren Phasen, auf Mikrometerskala verläuft. Anhand der Computersimulation können die scheinbar komplexen experimentellen Beobachtungen relativ einfach reproduziert werden, indem nur wenige Materialparameter wie Viskosität und Stressexposition als Input verwendet werden. Demnach lasse sich die Scher-Instabilität in dem Metall-Experiment mit geologischen Systemen vergleichen, die sich auf großen Längenskalen und über Millionen von Jahren hinweg verändern.
Das Modell begrenze sich aber nicht nur auf Multischichtmetallen unter Scherbelastung sondern könne auch auf andere Materialsysteme angewendet werden, unabhängig von der Morphologie. Damit sei das Modell ein vielseitiges Werkzeug, um eine große Palette von Materialien und materialverarbeitenden Techniken zu untersuchen. "Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass Modellierungstechniken aus der Grundlagenforschung in den Geowissenschaften ganz praktische Anwendungen für die Materialwissenschaften haben", bemerkt Kaus. "Dabei war unsere Software entwickelt worden, um Gebirgsbildungsprozesse zu simulieren – ein schönes Beispiel dafür, dass Grundlagenforschung immer unerwartete Anwendungen haben kann."