Phaseübergänge Materialeigenschaften besser verstehen
Bei der Kollision mit dem Eisberg brach die Titanic auseinander. Einer von mehreren Gründen für die Katastrophe: der verbaute Stahl war extrem spröde. Phasenübergänge im Festkörper erklären die Versprödung von Metallen.
Ausgelöst durch Temperaturveränderungen können sich Materialeigenschaften verändern. So war der Stahl, aus dem die Titanic gebaut war, spröde, was das Schiff nach der Kollision mit dem Eisberg auseinanderbrechen ließ. Heute würde ein anderer Stahl verbaut, denn die Wissenschaft weiß mehr über diese Phasenübergänge. Zu ihnen forschen Expertinnen und Experten aus Materialwissenschaften, Physik und Ingenieurwissenschaft. Unter Leitung von Prof. Dr. Gabi Schierning, Universität Duisburg-Essen (UDE), erschien nun ein Artikel in Advanced Energy Materials, der mit einem interdisziplinären Blick auf das Feld künftige Forschungsziele absteckt. Das UDE-Team kooperierte für die Arbeiten mit den Gruppen um Prof. Dr. Anna Grünebohm, Prof. Dr. Anna Böhmer, Prof. Dr. Jan Frenzel, Prof. Dr. Ilya Eremin, Prof. Dr. Ralf Drautz und Dr. Frank Lechermann von der Ruhr-Universität Bochum im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr.
Universitätsallianz Ruhr
Im Alltag begegnen uns Phasenübergänge als Veränderung des Aggregatzustands, etwa von flüssigem Wasser zu Wasserdampf. Beim Phasenübergang im Festkörper bleibt der Aggregatzustand hingegen gleich. „Die Eigenschaften des Festkörpers ändern sich jedoch, etwa durch Druck oder Temperaturveränderungen. Ein Festkörper kann ab einer gewissen Temperatur sehr spröde oder magnetisch werden, indem er seine Kristallstruktur verändert“, so Materialwissenschaftlerin Gabi Schierning.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel für den Mechanismus des Phasenübergangs erklärt Prof. Dr. Anna Grünebohm von der Ruhr-Universität Bochum: „Eine Formveränderung beim Phasenübergang kann vor allem in der Medizintechnik beim Einsatz von Stents gezielt genutzt werden. Einmal im Körper der Patientinnen und Patienten eingesetzt, können die medizinischen Implantate durch einen Temperaturimpuls ihre Form verändern und sich in der verkalkten Blutbahn ausdehnen.“
Blickwinkel unterschiedlicher Disziplinen
In verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen werden die Phasenübergänge aus unterschiedlichen Blickwinkeln untersucht. Die Ingenieurwissenschaften interessieren sich beispielsweise für ihre Rolle bei Konstruktionsmaterialien wie Stahlschrauben. Die Festkörperphysik fragt sich hingegen, was mit den Elektronen am Phasenübergang passiert, und entwickelt dafür komplexe Modellierungen.
„Im Artikel, der nun in Advanced Energy Materials erschienen ist, hat unser interdisziplinäres Forschungsteam die gemeinsam experimentell auftretenden Motive und Mechanismen erfasst“, erklärt Schierning. Im Ergebnis haben die 14 Autor*innen die Experimente zusammengetragen, die an verschiedenen Materialien durchgeführt werden sollten und erfasst, welche Studien für welche Materialklassen unterrepräsentiert sind und daher ins Auge gefasst werden sollten. „Daraus können wir eine Leitlinie für die weitere interdisziplinäre Forschung ableiten“, so Schierning.
