News: Supermetalle
Neuartige Metalllegierungen werden auch heute noch im Großen und Ganzen nach dem gleichen Prinzip entwickelt wie zur Bronzezeit – durch Ausprobieren. Einige Wissenschaftler versuchten das zu ändern und stellten dabei Materialien mit erstaunlichen Fähigkeiten her.
© Takashi Saito, Toyota CRDL (Ausschnitt)
Große technische Neuerungen gehen oftmals mit der Entdeckung neuer Werkstoffe einher. So war die Erkenntnis, dass Kupfer und Zinn zusammen einen sehr elastischen aber gleichzeitig stabilen Werkstoff namens Bronze bilden so bedeutsam, dass sie gleich ein ganzes Zeitalter prägte.
Auch heute spielen neue Metalle und ihre Legierungen immer noch eine große Rolle in der Technik, wenngleich die Entwicklung metallischer Werkstoffe nach Meinung vieler Materialwissenschaftler mittlerweile das Ende der Fahnenstange erreicht hat. Es seien allenfalls noch geringfügige Verbesserungen auf diesem Gebiet zu erwarten.
Aber vielleicht sind nicht die Eigenschaften der Legierungen an die Grenzen des Machbaren gestoßen, sondern nur die Methoden der Wissenschaftler, die im Grunde genommen immer noch auf dem uralten Prinzip von Versuch und Irrtum beruhen.
Takashi Saito von den Toyota Central Research and Development Laboratories und seine Kollegen jedenfalls wollten sich nicht allein auf den Zufall verlassen. Sie kreierten ihren neuen Werkstoff direkt am Computer, indem sie versuchten die Eigenschaften des Materials schon auf atomarer Ebene zu kontrollieren und zu verbessern.
Dabei fanden sie heraus, dass die Mischung von bis zu fünf Elementen aus den Gruppen 4 und 5 des Periodensystem, angereichert mit Sauerstoff, ganz besondere Eigenschaften haben sollten. Zumindest wenn das neue Material den drei "magischen Zahlen" genügte. Es musste demnach erstens über durchschnittlich 4,2 Valenzelekronen pro Atom verfügen und zweitens eine Bindungsordnung – das ist ein Maß für die Stärke der Verbindungen zwischen den Molekülen – von etwa 2,9 aufweisen. Drittens schließlich sollten die Elektronen in der d-Schale um die einzelnen Atome auf einem Energieniveau von circa 4,45 Elektronenvolt liegen.
Mit dieser Atomanordnung wiesen die Titanlegierungen gleich eine ganze Reihe von Vorteilen – oder wie es die Forscher nennen – "Supereigenschaften" auf. So besaßen die Metalle schon bei Zimmertemperatur eine sehr hohe Plastizität. Einige auf konventionellen Wege gefunden Werkstoffe erwiesen sich dagegen erst bei Temperaturen über 800 Kelvin als annähernd ebenso verformbar. Damit ließen sich die neuen Materialien schon bei sehr niedrigen Temperaturen also "kalt" sehr gut verarbeiten, was natürlich den Aufwand und den Energiebedarf etwa beim Schmieden vermindert.
Zudem waren die Titanlegierungen nach der Verarbeitung zugleich um ein Vielfaches elastischer und stabiler als konventionelle metallische Materialien. Laut Saito lag das an den Verwerfungen, die dem Metall unter dem Mikroskop eine marmorierte Struktur verliehen und entlang derer sich der Werkstoff optimal dehnen ließ. Erstaunlicherweise traten dabei, nicht wie bei solchen Materialien sonst üblich, keinerlei strukturelle Versetzungen auf.
Außerdem blieben die neuartigen Werkstoffe ähnlich wie Invar, aber in einem größeren Temperaturbereich von 77 bis 500 Kelvin in ihrer Länge und Breite relativ konstant. So sind die neuen Materialien mit ihren überlegenen Eigenschaften insbesondere für Präzisionsinstrumente in besonders unwirtlichen Umgebungen geeignet – im Weltraum beispielsweise.
Auch heute spielen neue Metalle und ihre Legierungen immer noch eine große Rolle in der Technik, wenngleich die Entwicklung metallischer Werkstoffe nach Meinung vieler Materialwissenschaftler mittlerweile das Ende der Fahnenstange erreicht hat. Es seien allenfalls noch geringfügige Verbesserungen auf diesem Gebiet zu erwarten.
Aber vielleicht sind nicht die Eigenschaften der Legierungen an die Grenzen des Machbaren gestoßen, sondern nur die Methoden der Wissenschaftler, die im Grunde genommen immer noch auf dem uralten Prinzip von Versuch und Irrtum beruhen.
Takashi Saito von den Toyota Central Research and Development Laboratories und seine Kollegen jedenfalls wollten sich nicht allein auf den Zufall verlassen. Sie kreierten ihren neuen Werkstoff direkt am Computer, indem sie versuchten die Eigenschaften des Materials schon auf atomarer Ebene zu kontrollieren und zu verbessern.
Dabei fanden sie heraus, dass die Mischung von bis zu fünf Elementen aus den Gruppen 4 und 5 des Periodensystem, angereichert mit Sauerstoff, ganz besondere Eigenschaften haben sollten. Zumindest wenn das neue Material den drei "magischen Zahlen" genügte. Es musste demnach erstens über durchschnittlich 4,2 Valenzelekronen pro Atom verfügen und zweitens eine Bindungsordnung – das ist ein Maß für die Stärke der Verbindungen zwischen den Molekülen – von etwa 2,9 aufweisen. Drittens schließlich sollten die Elektronen in der d-Schale um die einzelnen Atome auf einem Energieniveau von circa 4,45 Elektronenvolt liegen.
Mit dieser Atomanordnung wiesen die Titanlegierungen gleich eine ganze Reihe von Vorteilen – oder wie es die Forscher nennen – "Supereigenschaften" auf. So besaßen die Metalle schon bei Zimmertemperatur eine sehr hohe Plastizität. Einige auf konventionellen Wege gefunden Werkstoffe erwiesen sich dagegen erst bei Temperaturen über 800 Kelvin als annähernd ebenso verformbar. Damit ließen sich die neuen Materialien schon bei sehr niedrigen Temperaturen also "kalt" sehr gut verarbeiten, was natürlich den Aufwand und den Energiebedarf etwa beim Schmieden vermindert.
Zudem waren die Titanlegierungen nach der Verarbeitung zugleich um ein Vielfaches elastischer und stabiler als konventionelle metallische Materialien. Laut Saito lag das an den Verwerfungen, die dem Metall unter dem Mikroskop eine marmorierte Struktur verliehen und entlang derer sich der Werkstoff optimal dehnen ließ. Erstaunlicherweise traten dabei, nicht wie bei solchen Materialien sonst üblich, keinerlei strukturelle Versetzungen auf.
Außerdem blieben die neuartigen Werkstoffe ähnlich wie Invar, aber in einem größeren Temperaturbereich von 77 bis 500 Kelvin in ihrer Länge und Breite relativ konstant. So sind die neuen Materialien mit ihren überlegenen Eigenschaften insbesondere für Präzisionsinstrumente in besonders unwirtlichen Umgebungen geeignet – im Weltraum beispielsweise.
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