12.05.2016

Neue Phasenumwandlung entdeckt

Ein Expertenteam um den Leobener Wissenschaftler Ass.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Stefan Pogatscher (Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie) hat eine neue Art der Fest-fest-Phasenumwandlung entdeckt. Erstmals konnte gezeigt werden, dass der Übergang einer festen Phase in eine andere über die Bildung einer intermediären Flüssigkeit laufen kann. Die Ergebnisse dieser aktuellen Forschung wurden von Pogatscher und den Co-Autoren J. F. Löffler, P. J. Uggowitzer und D. Leutenegger von der ETH Zürich sowie J. E. K. Schawe von der Firma Mettler Toledo nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications" unter dem Titel „Solid-solid phase transitions via melting in metals“ veröffentlicht.

Ass.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Stefan Pogatscher

Fast alle Materialklassen zeigen Phasenumwandlungen in festem Zustand, welche in vielen Fällen die Materialeigenschaften bestimmen und entsprechend hohe Bedeutung für die Materialwissenschaften haben. Bekannte Beispiele sind der Übergang von Graphit zu Diamant oder die Härtung von Aluminium und Stahl. Daneben sind Fest-fest-Phasenumwandlungen von großer Bedeutung in anderen Disziplinen, wie beispielsweise der Pharmazie, wo sich die Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen mit der Umwandlung drastisch verändern kann.

In-situ-Beobachtung
Eine In-situ-Beobachtung dieser Fest-fest-Phasenübergänge mit ausreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung war in der Vergangenheit eine große Herausforderung und oft nur über Computersimulationen möglich. Experimentell wurden diese Beschränkungen bisher durch die Beobachtung kolloidaler Modell-Systeme umgangen, wobei kleine Kunststoffpartikel Atome imitieren. Anfang des letzten Jahres konnte eine aufsehenerregende Modellstudie erstmals einen intermediären flüssigen Zustand beim Übergang von einer zur anderen festen Phase zeigen, wobei unklar war, ob der Effekt auch in realen atomaren Systemen existiert. Den Forschern rund um Stefan Pogatscher ist nun der erste experimentelle Nachweis einer solchen Umwandlung in einem realen metallischen System gelungen. Die Forscher konnten mittels ultraschneller Chip-Kalorimetrie eindeutig nachweisen, dass die Legierung Au70Cu5.5Ag7.5Si17 von einem metastabilen festen Zustand in einen stabileren festen Zustand über die Bildung einer metastabilen Flüssigkeit umwandeln kann. Die flüssige Phase bildet sich bei einer Temperatur, die weit unter der tiefsten Gleichgewichtsschmelztemperatur des Systems liegt. Daneben konnte die Transformationskinetik und die zugrundeliegende Thermodynamik des Effekts beschrieben werden. 

Neue Anwendungsgebiete
Die Autoren schreiben dem Mechanismus zu, dass dieser ein Merkmal vieler Metalle sein dürfte und als Basis für weitere Einblicke in die Phasenübergangstheorie dienen kann. Schließlich wird vermutet, dass das Konzept für das grundlegende Verständnis von neuen Verarbeitungstechniken, bei denen eine schnelle Kühlung und Heizung aufgebracht wird (zum Beispiel im 3D-Druck), von Bedeutung ist, da sich unter diesen Bedingungen häufig metastabile Phasen bilden.   Detailinfos zur Publikation: Pogatscher, S., Leutenegger, D., Schawe, J. E. K., Uggowitzer, P. J., & Löffler, J. F. (2016). Solid-solid phase transitions via melting in metals. Nature Communications, 7.  

Kurzbiografie Stefan Pogatscher
Stefan Pogatscher studierte Metallurgie an der Montanuniversität Leoben, wo er 2012 auch promovierte. Nach einem Post-Doc-Aufenthalt von 2012 bis 2015 an der ETH Zürich trat er im Mai 2015 eine Stelle als Assistenzprofessor am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität an. Er erhielt in seiner noch jungen Karriere bereits etliche Auszeichnungen, darunter den Acta Materialia Student Award 2011, den Universitätsforschungspreis der Industrie 2012 und den DGM-Nachwuchspreis 2013. Seine Forschung im Bereich der Nichteisenmetalle beschäftigt sich mit metallischen Gläsern, Magnesiumlegierungen und der Werkstofftechnik von Aluminium. Letzterem Forschungsgebiet gehört sein stärkstes Engagement, welchem er innerhalb seiner Stiftungsprofessur für „Werkstofftechnik von Aluminium“ an der Montanuniversität nachgeht. Kürzlich gewann er den renommierten Houska-Preis.  

Weitere Informationen:
Ass.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Stefan Pogatscher
Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität Leoben
Tel.:   +43 3842 402 5228
E-mail: stefan.pogatscher@unileoben.ac.at