Theorie der unterkühlten Schmelze bestätigt

2. Mai 2010, 16:58
12 Postings

Forschergruppe analysierte Kristallstruktur einer unterkühlten Metallschmelze

Eine französische Forschungsgruppe hat eigenen Angaben zufolge Schlüsselelemente für die Erklärung der Theorie der unterkühlten Schmelze gefunden. Dieses Phänomen bezeichnet den Zustand, in dem eine Flüssigkeit nicht gefriert, obwohl sie sich unter ihrer Kristallisationstemperatur befindet. Solche Erscheinungen sind beispielsweise bei Wassertropfen in Wolken zu beobachten. Die Forscher konnten den Gefrierpunkt von Silizium-Gold-Legierungen je nach Unterlage um bis zu 120 Grad senken.

Hintergrund

Bei Unterkühlung muss die Flüssigkeit sehr rein sein und darf keine Kristallkeime enthalten. Die extreme Reinheit der Flüssigkeit verhindert die Kristallisation. Das Phänomen der Unterkühlung wurde 1724 von Fahrenheit entdeckt. Die aktuellen Theorien gehen davon aus, dass die innere Struktur von Flüssigkeiten mit der Kristallisation inkompatibel ist. Laut dieser Theorien organisieren sich die Atome in einer Fünfeck-Struktur. Für die Bildung eines Kristalls ist jedoch eine sich periodisch aufbauende Struktur erforderlich, um den Raum auszufüllen, was die fünfeckige Struktur nicht ermöglicht. Demnach muss für eine Kristallisation die fünfeckige Struktur aufgebrochen werden, so dass sich die Atome in einer neuen Struktur anordnen können.

Untersuchung

Bei der Untersuchung von Nanodrähten aus Gold und Silizium für die Nanoelektronik konnten die Forscher dieses Phänomen beobachten: In Abhängigkeit von der atomaren Ausrichtung der Silizium-Unterlage blieb die Metall/Halbleiter-Legierung auch unter ihrer Kristallisationstemperatur flüssig. Der Cluster schmolz zwar bei etwa 363 Grad Celsius, bei der abschließenden Abkühlung erstarrte der Tropfen aus Gold und Silizium aber nicht bei der gleichen Temperatur, sondern erst bei 240 Grad. Eine Untersuchung der Kristallstruktur mit Synchrotronstrahlung sollte die Ursache für den wiederholbaren Effekt zeigen: An der Grenzschicht zwischen Metall und Flüssigkeit bildete sich aus Goldatomen eine Schicht aus symmetrischen, fünfeckigen Strukturen. Diese verhinderte die Kristallisation zu einem Festkörper trotz stark abgesenkter Temperatur. Die im Journal "Nature" beschriebenen Ergebnisse eröffnen den Wissenschaftern zufolge neue Forschungsfelder in der Mikroelektronik und der Metallurgie, spiele doch der Übergang zwischen flüssig und fest eine Schlüsselrolle bei Schweißprozessen oder auch beim Züchten von Nanodrähten. (red)

Share if you care.