01.07.2013

Forscher machen Struktur einer unterkühlten Flüssigkeit sichtbar

DESYs Röntgenquelle DORIS durchleuchtet schwebende Metalltröpfchen

Werden flüssige Metallgemische langsam abgekühlt, so entsteht vor ihrem Übergang in die feste Phase eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration, aber stärker geordneter Struktur. Diese Struktur haben Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes in einem gemeinsamen Projekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) bei DESY nun erstmals nachgewiesen. Sie brachten dazu Metalltröpfchen in die Schwebe und durchstrahlten sie beim Abkühlen mit DESYs Röntgenquellen DORIS III. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt im Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht.

Metalltröpfchen in „elektrostatischer Levitation“: Das heiße Tröpfchen schwebt im Vakuum zwischen zwei Elektroden. Während der Abkühlung und Aufheizung wird seine Struktur kontinuierlich mit Synchrotronstrahlung durchleuchtet und dokumentiert. Foto: Institut für Materialphysik im Weltraum am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln.

In unterkühlten Flüssigkeiten gibt es Phänomene, die dann zutage treten, wenn man sie mit besonders hellen Röntgenstrahlen durchleuchtet. Shuai Wei, Doktorand bei Professor Ralf Busch am Saarbrücker Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe, hat solche Phänomene nun gemeinsam mit Forscherkollegen vom DLR und vom IFW bei DESY beobachten können. „Wir haben erstmals nachweisen können, dass sich eine Flüssigkeit, die abgekühlt wird, in eine Flüssigkeit mit gleicher Konzentration aber höherer Ordnung umwandelt, bevor bei weiterer Abkühlung die Kristallisation einsetzt“, sagt Shuai Wei. Dabei interessieren sich Busch und sein Team insbesondere für flüssige Metalle, die bei Abkühlung zu massivem metallischem Glas erstarren. Diese haben als Konstruktionswerkstoffe besondere Eigenschaften.

Um den „Flüssig-Flüssig-Übergang“ bei Metallen genau zu studieren, machten die Wissenschaftler bei DESY in Hamburg Experimente mit positiv geladenen, zwei bis drei Millimeter großen Metalltröpfchen. Diese wurden im Vakuum zwischen zwei Elektroden „levitiert“, also in Schwebe gebracht. Der Vorteil dieser elektrostatischen Levitation: „Beim Schweben im elektrischen Feld hat das Tröpfchen keinen Kontakt zur Umgebung, dadurch können sich keine kristallinen Keime bilden und die Kristallisation wird verzögert“, erklärt Shuai Wei. Anschließend wurden die schwebenden Tröpfchen um mehrere hundert Kelvin abgekühlt und während der Abkühlung mit der intensiven Röntgenstrahlung von DORIS III durchleuchtet. „Jede Aufnahme lief innerhalb einer Sekunde ab – in einem ‚normalen‘ Röntgengerät würde sie mehrere Stunden dauern“, erklärt Ralf Busch. „So konnte der  Abkühlungsprozess kontinuierlich beobachtet werden – und es zeigten sich Phänomene in den Metalltröpfchen, die sonst nicht sichtbar sind: Ihre Struktur zeigt eine größere Ordnung bei gleichbleibender Dichte.“

Dass sich darüber hinaus auch die Viskosität (Zähigkeit) und der Energieinhalt der Flüssigkeit verändern – dafür habe es schon früher Anzeichen gegeben, ergänzt Shuai Wei und fasst die neuen Erkenntnisse seiner Forschungen so zusammen: „Durch den Nachweis dieser Strukturveränderung konnten wir zeigen, dass innerhalb der flüssigen Phase eine ‚fragile‘, wenig geordnete Flüssigkeit, in eine sogenannte ‚starke‘ Flüssigkeit mit höherer Ordnung umgewandelt wird.“ Diese Prozesse waren unterhalb von 1200 Kelvin (927 Grad Celsius) bis hin zu 800 Kelvin (527 Grad Celsius) nachweisbar.

Die Ergebnisse helfen, besser zu verstehen, wie sich Materie organisiert, wenn sie abgekühlt wird, sagt Shuai Wei. Mithilfe der besonderen Eigenschaften von metallischen Gläsern könnten dann noch bessere Werkstoffe hergestellt werden. Derzeit macht der Nachwuchswissenschaftler bereits weitere Experimente an der brillantesten Speicherring-Röntgenquelle der Welt, PETRA III bei DESY.

Originalveröffentlichung: "Liquid–liquid transition in a strong bulk metallic glass-forming liquid"; Nature Communications, 2013; DOI: 10.1038/ncomms3083

Mitteilung der Universität des Saarlandes