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Magische Zahlen für neue Metall-Legierungen

Technik|Digitales

Magische Zahlen für neue Metall-Legierungen
Leicht, stabil und gut zu verarbeiten: Die Anforderungen an moderne Metall-Legierungen werden immer größer. Doch anstatt nach dem „Trial and Error“-Verfahren einfach reihenweise verschiedene Legierungen herzustellen, weisen theoretische Berechnungen und Simulationen auf der Basis der Quantenmechanik einen kürzeren Weg zum perfekten Werkstoff. So entwickelten japanische Materialforscher nun neue Legierungen auf Titanbasis, die extrem beanspruchbar sind, für Metall überraschende plastische und elastische Eigenschaften aufweisen und zugleich überraschend wenig wiegen.

„Wir zeigen eine Gruppe von Legierungen, die zahlreiche ‚Super-Eigenschaften‘ und drastische Änderungen der physikalischen Eigenschaften bei Raumtemperatur aufweisen“, berichten Takashi Saito und seine Kollegen von der Universität Tokio in der Fachzeitschrift Science (Bd. 300, S. 464). Zugleich bieten die Legierungen für Metalle nach Angaben der Entwickler bisher unerreichte Eigenschaften in Hinblick auf Elastizität, Stärke und Verformbarkeit bei niedrigen Temperaturen. Basierend auf theoretischen, quantenphysikalischen Erkenntnissen über das Verhalten von Atomen in der direkten Nachbarschaft zu anderen Elementen mischten die Wissenschaftler ihre Legierungen aus Titan, Tantal, Niob, Vanadium, Zirkonium und Sauerstoff.

Auch ein gewünschtes Verhalten in Bezug auf Magnetisierbarkeit ließ sich so erreichen. Hauptbeitrag aus der Theorie ist, dass alle verwendeten Elemente bestimmte Werte bei drei so genannten elektronischen, magischen Zahlen aufweisen. Dazu gehört eine passende Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale (Valenzelektronen) von im Durchschnitt 4,24, eine bestimmte Bindungsstärke der Atome im reinen Element und ein Wert für die Elektronegativität von 2,45 Elektronenvolt, das in der Anordnung der inneren „d-Orbital“-Elektronen begründet liegt.

Mit verschiedenen Spektroskopie-Methoden ? von Aufnahmen mit einem Rastertunnelmikroskop bis zur Analyse der elektronischen Eigenschaften ? analysierten Saito und Kollegen die innere Struktur ihrer Legierungen bis in den Nanometer-Bereich. So verändert sich die Kristallstruktur der Legierungen selbst bei starker plastischer Verformung nur wenig. Bei den meisten Metallen dagegen ordnen sich die Atome in diesen Gittern neu an und begründen damit eine typische Sprödigkeit der Metalle, die schließlich zu Brüchen führt. In den neuen Legierungen verhindern dagegen gezielt eingebaute, elastische Bereiche diese Schwächung des Materials.

Experten sehen in dieser neuen Art der „Planung“ von Legierungseigenschaften die Zukunft der Materialforschung. Erste Anwendungen für ultraleichte, verformbare und dabei stabil bleibende Legierungen ergeben sich unter extremen Bedingungen wie an Bord von Raumfähren oder der Internationalen Raumstation.

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