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).