Links ein analoges Experiment, rechts die Simulation eines Nanopillars.
Jongbae Jeon/Christoph Kirchlechner, MPIE
Neuartige Simulationsmethoden sollen es künftig ermöglichen, Materialeigenschaften wie die Festigkeit kontrolliert zu optimieren. Zunächst müssen sich die Forscher jedoch ein grundsätzliches Verständnis der zeitlichen Abläufe auf der Nano- bis hin zur Makroskala innerhalb des Materials verschaffen.
Die Eigenschaften von Materialien hängen von ihrer atomaren Struktur und deren Dynamik ab. Dabei weisen die meisten Werkstoffe Defekte auf, die beides kritisch beeinflussen. So ging man lange Zeit davon aus, dass die theoretische Festigkeit eines Materials technisch nicht erreicht werden könne, da diese erst bei perfekten Strukturen existiere. Experimente haben aber gezeigt, dass diese Annahme falsch ist – auf der Nanometerebene kann man nach Angaben des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) zuvor unerreichte Festigkeiten nachweisen, die bis an die theoretische Grenze heranreichen. Diese aus wissenschaftlicher Sicht höchst spannenden Ergebnisse seien allerdings noch nicht ausreichend verstanden, um sie industriell umsetzbar zu machen.
Der Europäische Forschungsrat fördert jetzt die MPIE-Forscher im Projekt „TIME-BRIDGE“ mit 1,5 Millionen Euro für einen Zeitraum von fünf Jahren, um diese Erkenntnislücke zu schließen. Fortschritte scheinen durch den Einsatz von komplementären Simulationen möglich zu sein; mit speziellen Methoden simulieren die Materialwissenschaftler am MPIE mehrere Millionen Atome, um die Wechselwirkungen der Defekte und somit die Einflussfaktoren auf bestimmte Eigenschaften eines Materials wie die Festigkeit, zu verstehen. Hinderlich ist dabei allerdings das sogenannte Zeitskalendilemma: die Atome in einem Material sitzen nicht auf festen Positionen, sondern vibrieren mit extremen Geschwindigkeiten um ihre Plätze. Mit gegenwärtigen Computersimulationen lassen sich nur wenige Nanosekunden dieser Dynamik beschreiben. Das ist unzureichend, weil die Dynamik der Defekte, wie sie experimentell gemessen wird und wie sie für die Festigkeit des Materials verantwortlich ist, sich im Bereich von Sekunden abspielt.
Nanopillar-Untersuchungen
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Dieses Intervall zwischen Nanosekunden und Sekunden wollen die MPIE-Forscher nun mit der Pseudopotential-Methode überbrücken. Diese Methode wird normalerweise zur Bestimmung der Dynamik von Elektronen genutzt. Im Fokus werden, so die Planung, zunächst sogenannte Nanopillar-Untersuchungen stehen. Hierbei erzeugen die Wissenschaftler kleine atomare Türme, die später zusammengestaucht werden, um die Wechselwirkung der Defekte untereinander mit hoher Präzision und systematisch zu bestimmen. Parallel zu diesen theoretischen Untersuchungen sind im Forschungsprojekt analoge Experimente mit modernsten Elektronenmikroskopen vorgesehen.