Werkstoffe

Härter als Titan, blasbar wie Glas

Neue metallische Gläser verbinden die positiven Eigenschaften von Stählen und Kunststoffen

Werkstoffwissenschaftler geraten ins Schwärmen, wenn sie über das neue Material reden, das härter als Stahl und Titan ist und in Formen gießbar wie Kunststoff, außerdem elastisch, verschleißbeständig und kaum rostend: metallisches Glas. An der Universität Saarbrücken werden ab sofort unter dem kessen Motto »Hasta la vista, Titanium« metallische Massivgläser erforscht und für den technischen Einsatz weiterentwickelt.

Glas ist genau genommen gefrorene Flüssigkeit. Wird heißes, flüssiges Silikat, der Ausgangsstoff von Industrieglas, abgekühlt, entsteht zunächst jene viskose Masse, für die sich Glasbläser interessieren. Dann »gefriert« das Zeug zu Glas. Vergleichbare Abkühl- und Gefriervorgänge kennt man auch bei Metallen. Hier kommt es aber auf das Tempo an. Erschreckt man eine Stahlschmelze durch plötzliche Kälte, ist das Schockprodukt immer noch normaler Stahl mit ordentlich in einem Kristallgitter sortierten Atomen. Erst gewaltige Kühlraten von umgerechnet einer Million Grad Celsius pro Sekunde verhindern die Kristallisation des Stahls (im Vergleich dazu muss Silikat nur mit 0,1 Grad pro Sekunde abgekühlt werden, um nicht zu kristallisieren). Erst dann entsteht ein Glas.

Die beim ultraschnellen Abkühlen von flüssigem Metall entstehenden amorphen metallischen Gläser kennt man seit fast 50 Jahren. Man weiß schon lange, dass sie faszinierende Werkstoffeigenschaften haben. In den sechziger Jahren entwickelte Pol Duwez vom California Institute of Technology in Pasadena (Caltech), dem Westküsten-Gegenstück zum Bostoner MIT, eine Schockfrostmethode für Metallschmelzen: Er ließ die heiße Schmelze auf einen sehr kalten, schnell rotierenden Kupferzylinder fließen. So konnte er hauchdünne, einige Nanometer starke Schichten dieses ultraharten Glases herstellen.

Größere Metallmengen waren einfach nicht schnell genug abzukühlen – die Kristalle waren schneller. Als industrielles Nischenprodukt findet man solch dünne Glasstreifen zum Beispiel im Kaufhaus, wo sie Teil der Diebstahlsicherung sind. Der magnetisierte Streifen ist in Chips und Plaketten versteckt. Sein spezifisches magnetisches Verhalten kann durch Detektoren erfasst werden.

Ralf Busch von der Universität des Saarlandes ging einen großen Schritt weiter: Er legt Interessierten einen spiegelglatten, metallisch glänzenden Kieselstein in die Hand, 20 Millimeter stark – eine metallurgische Sensation. »Es war viele Jahre lang Paradigma, dass diese dünnen Folien aus metallischem Glas kein Werkstoff für Konstrukteure sind«, sagt Busch. Das wissenschaftliche Interesse schwand in den achtziger Jahren, »das Material galt als erforscht, alles war verstanden«. Nur ein paar Dickköpfe in Japan und Kalifornien experimentierten weiter. Ein japanischer Materialforscher stellte fest, dass Mischungen aus großen und kleinen Metallmolekülen viel langsamer kristallisieren. Bei der Abkühlung entsteht eine dichte atomare Packung, ein sehr festes Material. Im Caltech nahm William Johnson diese Ideen auf und arbeitet unter anderem mit Zirkon, einem Silikat, das in der Reaktortechnik gebraucht wird. Brennstäbe werden mit Zirkon ummantelt. Er entwickelte ein extrem langsam kristallisierendes Metallglas, das außerdem den fertigungstechnischen Vorteil besaß, schon bei 400 Grad Celsius flüssig zu werden (bei Stahl liegt dieser Wert jenseits der 1000 Grad).

Mit den neuen Legierungen konnte man auf einmal industriell interessante Produkte herstellen, zum Beispiel Golfschläger. Aus dem Institut heraus gründete sich die Liquidmetal Technologies, deren Name nicht von ungefähr an den Film Terminator 2 erinnert. Der Filmschurke besteht aus hoch resistentem Material, das sich bei Bedarf in eine viskose Flüssigkeit verwandelt. Er kann unter Türen durchfließen, Schusswunden schließen sich, als hätte man in etwas Flüssiges geschossen.

Heute finden sich metallische Gläser von Liquidmetal in einer Reihe von teuren Produkten wieder, so in Tennisschlägern, Skalpellklingen und Handys mit sehr harten und absolut kratzfesten Handyschalen. So bietet die Nokia-Tochter Vertu für 4600 Euro ein Mobiltelefon aus metallischem Glas an, das ohne Kratzer bleibt, wenn ein Auto drüberfährt. Den größten wirtschaftlichen Erfolg im zivilen Bereich stellt ein Tennisschläger dar, der teilweise aus diesem innovativen Werkstoff besteht. Die Racket-Serie Liquidmetall des Herstellers Head wurde zum Verkaufsschlager, nachdem Tennisstars wie Svetlana Kuznetsova und Anastasia Myskina mit solchen Schlägern erfolgreich waren. Am nachhaltigsten wirkte allerdings die Werbung mit dem Label »Andre Agassi’s Erfolgsracket«. Auch das Militär – »weniger schön«, findet Busch – zeigt Interesse und spendiert beachtliche Summen für die Forschung. So soll ultrahartes metallisches Glas für panzerbrechende Waffen verwendet werden.

Busch, Jahrgang 63, arbeitete von 1993 bis 1999 am Caltech. Seit einigen Monaten ist er Inhaber des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe in Saarbrücken. Die wissenschaftliche Herausforderung lautet nun: Wie kann man die optimale Zusammensetzung metallischer Legierungen bestimmen, die bei Abkühlung der Schmelze einen möglichst großen viskosen Bereich haben und daher nur zögernd kristallisieren? Thermodynamische Berechnungen, also die Berechnung der Molekülbewegungen in Abhängigkeit von der Temperatur, gehören zu den härtesten Brocken in der Physik. Immerhin: Die entsprechende Messtechnik hat Busch schon weit entwickelt. Viskositätsmessungen im Vakuum bei 1000 Grad Celsius sind in seinem Oregon-Institut möglich. Und Viskosität ist schließlich ein Maß für die atomare Beweglichkeit.Technologisch könnten metallische Gläser in Zukunft sehr spannend werden. Zu erwarten ist, dass ganz neue Legierungen gefunden werden, aus denen noch viel härtere Gläser entstehen. Oder Gläser mit völlig neuen Eigenschaften. Mit Materialmischungen (Composites) aus amorphen und kristallinen Metallen wird man Werkstoffe mit Wunschqualitäten gestalten können. Automobilindustrie und Flugzeugbau dürften die ersten Großkunden sein. »Es öffnet sich gerade ein ganz neues Feld der Metallurgie«, sagt Busch.

Ach was: neues Feld – beim Jubeln erweist sich, dass Busch schon ein halber Amerikaner ist. Die Grundlage der industriellen Revolution des 19. Jahrhunderts sei der Stahl gewesen, der Werkstoff des 20. Jahrhunderts der Kunststoff. Ein Material, das die guten Eigenschaften von Stahl mit den Vorzügen bei der Bearbeitung von Kunststoff verbindet, läutet wenigstens die dritte Revolution ein!