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News: Metallisches Glas - das Material der Zukunft?

Beim Wort "Glas" denkt man meistens zuerst an eine Fensterscheibe. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch auch Metall ein Glas bilden, das über Eigenschaften verfügt, die ideal für elektrische Transformatoren, Golfschläger und andere Produkte sind. Allerdings ist die Herstellung metallischer Gläser eine äußerst komplizierte Angelegenheit.
Todd Hufnagel von der Johns Hopkins University versucht, neue metallische Glasarten zu fertigen, die sich durch eine außergewöhnliche hohe Festigkeit und Elastizität sowie durch hervorragende magnetische Eigenschaften auszeichnen. Er hofft, dadurch mehr über die Vorgänge bei der Erstarrung geschmolzenen Metalls auf mikroskopischer Ebene zu erfahren. Dies ist nämlich der kritische Moment, in dem ein Glas entsteht.

Für die Wissenschaft ist jedes Material ein Glas, das durch Abkühlung vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, ohne dabei Kristalle zu bilden. Die meisten Metalle ordnen ihre Atome jedoch in regelmäßigen Gittern an, wenn sie erstarren. Wenn aber keine Kristallbildung einsetzt und die Atome nahezu zufällig angeordnet sind, formt sich ein metallisches Glas.

Auch Fensterglas besitzt die gleiche chaotische Anordnung, obgleich es nicht metallisch ist. Im Unterschied zu Fensterscheiben sind metallische Gläser aber nicht durchsichtig. Ihre ungewöhnliche atomare Struktur verleiht ihnen bestimmte mechanische und magnetische Eigenschaften. Zum Beispiel ist metallisches Glas im Unterschied zum Fensterglas nicht spröde. Viele traditionelle Metalle sind relativ leicht zu "deformieren" oder permanent zu verbiegen, weil ihre Kristallgitter mit Defekten übersät sind. Ein metallisches Glas nimmt dagegen viel leichter wieder seine ursprüngliche Form an. "Beurteilt man Werkstoffe nach ihrer Elastizität, so ist metallisches Glas nicht zu schlagen", sagt Hufnagel, Professor für Werkstoffkunde und -technik. "Es ist bei weitem besser als alles andere."

Der Forscher hat an der Johns Hopkins University ein Laboratorium eingerichtet, um neue Legierungen zu testen. Gegenwärtig versucht er, ein neues metallisches Glas herzustellen, das bei höheren Temperaturen fest bleibt und keine Kristalle bildet. Sein Ziel ist, den Werkstoff nutzbringend in Motoren einzusetzen. Das neue metallische Glas kann eventuell auch militärisch als panzerbrechendes Projektil eingesetzt werden. Hufnagel glaubt, daß anders als die meisten kristallinen Metallprojektile, die sich beim Aufprall zu einer pilzartigen Form abflachen, der Kopf aus dem metallischen Glas sich beim Auftreffen loslösen, somit bedeutend die Spitze schärfen und folglich eine effektivere Durchdringung gewährleisten wird.

Mit seiner Arbeit reiht er sich in die lange Reihe von Wissenschaftlern ein, die in der ganzen Geschichte alle möglichen Zutaten zusammengemixt haben, um neue wertvolle Werkstoffe zu erhalten. "Die Metallurgie hat eine lange Tradition als 'schwarze Kunst'", sagt Hufnagel. "Lange Zeit haben die Menschen Dinge getan, weil sie wußten, daß sie funktionieren, ohne aber zu wissen warum. Der wahre Wert der Metallurgie besteht darin, daß sie herauszufindet, warum bestimmte Dinge funktionieren und wie man sie besser machen kann."

"Ein Teil unserer Arbeit ist immer noch gewissermaßen Alchimie; wir mischen neue Kombinationen zusammen, um zu sehen, wie gut das entstehende Glas wird. Doch der andere Teil ist Wissenschaft. Wir wollen wissen, wie die Kristallbildung funktioniert und was dabei passiert. Wenn man das nämlich begreift, kann man wahrscheinlich Legierungen so konzipieren, daß sie die Kristallbildung vermeiden. Es gilt hier, noch eine Menge Grundlagenforschung zu absolvieren."

Da metallische Gläser auf Eisenbasis keine Kristalldefekte aufweisen, sind sie sehr effiziente magnetische Werkstoffe. Und genau wie Fensterglas und Plastik wird metallisches Glas beim Erhitzen weich, wodurch es leicht in die endgültige Form gebracht werden kann. In der Fertigung sind solche Eigenschaften sehr beliebt. Doch die Herstellung von metallischem Glas in dicker, massiver Form ist nicht einfach, denn die meisten Metalle bilden beim Abkühlen äußerst schnell Kristalle. Um ein Glas zu formen, muß das Metall hart werden, bevor sich ein Kristallgitter ausgebildet. Für reines Kupfer oder Nickel hieße dies, das Metall mit einer Rate von rund einer Billion Grad Celsius pro Sekunde abzukühlen . Das ist aber praktisch nicht möglich.

In den 50er Jahren indes lernten die Wissenschaftler, wie sie den Prozeß der Kristallbildung verlangsamen können, indem sie bestimmte Materialien, wie beispielsweise Nickel und Zirkonium, vermischten. Wenn sie eine dünne Schicht einer derartigen Legierung mit einer Million Grad Celsius pro Sekunde abkühlten, bildete sich ein metallisches Glas. Da die Kühlung jedoch so schnell erfolgen mußte, konnte das Material nur ein dünnes Band, ein Draht oder ein Pulver sein.

In letzter Zeit gelang es Wissenschaftlern etwa ein Dutzend metallischer Glasarten in größeren Formen (zum Beispiel als Stangen) zu erzeugen, indem sie vier oder fünf Elemente mischten, die verschieden große Atome besitzen. Dadurch wird es für das Gemisch schwieriger, Kristallgitter zu bilden. Eine dieser neuen metallischen Glaslegierungen wird gegenwärtig kommerziell genutzt, um robuste Köpfe für Golfschläger zu produzieren.

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