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07.09.2018 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Wie sich Versetzungen im Gefüge verschieben lassen

Autor:
Dieter Beste

Keine Zauberei: Durch gezieltes Falten lassen sich einem Material völlig neue Eigenschaften entlocken. Forscher machten sich dafür Versetzungen zunutze, also feine Kristallbaufehler auf atomarer Ebene.


Dass Metalle sich verformen lassen, ohne gleich zu zerbrechen, ist eine Alltagserfahrung – obwohl sie eine kristalline Struktur besitzen und sich somit eigentlich spröde verhalten sollten. Materialwissenschaftler nennen diese an sich unerwartete Verformbarkeit der Metalle Plastizität. Erst in den 1940er Jahren des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler die Ursache hierfür gefunden: Verantwortlich sind feine Kristallbaufehler auf atomarer Ebene, die eine große Mannigfaltigkeit der Abweichung vom Idealkristall aufweisen. Die Springer-Autoren Walter Borchardt-Ott und Heidrun Sowa gehen in "Kristallographie" ab Seite 345 ausführlich darauf ein. Diese Baufehler, sogenannten Versetzungen, kann man sich wie winzige Teppichfalten vorstellen, die sich – ebenso wie echte Teppichfalten – verschieben lassen. Wenn ein Metall verformt wird, wandern Millionen und Abermillionen solcher Versetzungen durch den Werkstoff und machen viele technische Prozesse wie Walzen oder Schmieden überhaupt erst möglich.

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Materialforscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung haben jetzt herausgefunden, wie man durch gezieltes Falten einem Material völlig neue Eigenschaften geben kann. Etwas, das bisher in der Materialwissenschaft als unmöglich galt. Natürlich geht es hier um mikroskopisch kleine Falten, kaum größer als wenige millionstel Millimeter, – deren Auswirkungen dennoch enorm sein können. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler in Science Advances veröffentlicht.

In Bilagen-Graphen, einem Stoff, der lediglich aus zwei Atomlagen Kohlenstoff besteht, hatten die Forscher schon vor einigen Jahren Versetzungen gefunden. An diesem Material-Beispiel zeigen sie nun auf, wie einzelne dieser Versetzungen direkt angefasst und bewegt werden können. Von dieser Technik ausgehend erwarten sie neuartige Entwicklungen mit noch ungeahnten Möglichkeiten, Einfluss auf die Eigenschaften eines Materials zu nehmen. "Als wir die Versetzungen in Graphen entdeckten, wussten wir schon, dass wir ein ideales Modellsystem für die Erforschung von Plastizität gefunden hatten", sagt Erdmann Spiecker.

Mikroskop als Nano-Werkbank 

Einer der entscheidenden Faktoren für den Erfolg war die herausragende Ausstattung der FAU im zentralen Labor für hochauflösende Mikroskopie, dem Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM). Um Versetzungen abbilden zu können, steht den Forschern an ihrer Universität ein mächtiges Mikroskop zur Verfügung, dass die Experten im Bereich der Elektronenmikroskopie ständig weiterentwickeln. "Während der letzten drei Jahre haben wir unser Mikroskop mit immer neuen Möglichkeiten ausgestattet und sozusagen zu einer Werkbank auf der Nanoskala aufgerüstet", sagt Doktorand Peter Schweizer, der die mikroskopischen Analysen zusammen mit seinem Kollegen Christian Dolle durchgeführt hat. "Dadurch können wir Nanostrukturen nicht nur sehen, sondern mit ihnen gleichzeitig direkt interagieren. Zum Beispiel haben wir die Möglichkeit, sie mechanisch zu verschieben, definiert zu erwärmen oder ein elektrisches Potenzial anzulegen". Herzstück des Geräts seien kleine Roboterarme, die mit der Genauigkeit eines millionstel Millimeters positioniert werden können. Bestücke man diese Arme mit feinen Nadeln, könnten diese auf die Probenoberfläche abgesenkt werden.

Verformung mit Fingerspitzengefühl

Doch wie kontrolliert man Roboter mit solcher Genauigkeit? Die Wissenschaftler verwenden Gamepads, wie sie auch zur Steuerung von Computerspielen eingesetzt werden. "So einen kleinen Roboterarm kann man nicht einfach mit der Tastatur steuern, da braucht man etwas, das intuitiver ist", erklärt Dolle. "Es dauert eine Weile, bis man es wirklich beherrscht, aber dann ist tatsächlich das Manipulieren von einzelnen Versetzungen möglich."

Unzerstörbares Material

Anfänglich waren die Forscher überrascht, wie resistent Graphen gegenüber mechanischer Belastung ist. "Wenn man darüber nachdenkt, sind es ja nur zwei Lagen von Kohlenstoffatomen, auf die wir da eine scharfe Spitze drücken", sagt Peter Schweizer. Die meisten Materialien würden das nicht aushalten, aber Graphen ist Weltrekordhalter in mechanischer Beständigkeit. Das ermöglichte es den Forschern, die Oberfläche des Materials mit einer feinen Wolframspitze zu berühren und Versetzungen hin- und herzuschieben. Nur mithilfe dieser Technik konnten die Wissenschaftler grundlegende Theorien von Versetzungen bestätigen, aber auch ganz neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich Versetzungen gegenseitig beeinflussen und miteinander reagieren.


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