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Nanogläser

Amorphe Festkörperstruktur mit neuartigen Eigenschaften.

Schematische Darstellung der Struktur eines Nanoglases nach der Kompaktion von nanometergroßen Glasbereichen, mit Identifikation der inneren Grenzflächen (grüne) und des Verlaufs der Dichte (oben).

Nanogläser können in Zukunft möglicherweise dazu beitragen, dass Batterien und Brennstoffzellen effizienter und sicherer werden. Eine Idee ist, flüssige Elektrolyte, beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien, durch die neuartigen Festkörper zu ersetzen. Als metallische Gläser bezeichnet man amorphe, also ungeordnete, Strukturen mit überwiegend metallischen Komponenten oder Legierungen aus Metallen. Solche Materialien werden seit mehr als 50 Jahren durch sehr schnelles Abschrecken aus der Schmelze hergestellt, so dass die atomare Struktur der ungeordneten Schmelze im Festkörper erhalten bleibt. In ähnlicher Weise werden seit Jahrhunderten Oxidgläser, wie Fensterglas, hergestellt, allerdings bei sehr viel geringeren Abkühlgeschwindigkeiten als bei metallischen Gläsern.

Ein wesentliches Merkmal aller Gläser ist das erhöhte freie Volumen, also die verringerte Dichte der Gläser im Vergleich zum kristallinen Zustand. Durch bisher bekannte Herstellungsprozesse, wie das Abschrecken der Glasschmelze, können das freie Volumen und damit die physikalischen Eigenschaften nur in sehr begrenztem Umfang beeinflusst werden.

Wissenschaftlern am Institut für Nanotechnologie (INT) ist es gelungen, metallische Gläser herzustellen, die sich durch ein deutlich erhöhtes freies Volumen gegenüber den durch Abschrecken hergestellten Gläsern auszeichnen. Dies ist möglich durch ein innovatives Herstellungsverfahren, bei dem in einem ersten Schritt amorphe Nanopartikel erzeugt werden, die anschließend im zweiten Schritt bei hohem Druck kompaktiert werden. Dabei entsteht eine zweiphasige Struktur mit Bereichen hoher (Kerne der Nanopartikel) und niedriger Dichte (Grenzflächen).

Die plastische Verformbarkeit eines metallischen Nanoglases unterscheidet sich drastisch von der eines durch Abschrecken hergestellten Glases mit der gleichen chemischen Zusammensetzung. Das abgeschreckte Glas neigt bei mechanischer Belastung zu einem spröden Verhalten, während das Nanoglas ausgedehnte Plastizität aufweist. Bei den magnetischen Eigenschaften ist der Unterschied im Verhalten sogar noch ausgeprägter: der schnell abgeschreckte Zustand ist paramagnetisch, während die kompaktierten Nanopartikel ein ferromagnetisches Verhalten bei Raumtemperatur aufweisen.

Das KIT sucht Partner zum industriellen Einsatz von Nanogläsern.

Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Frauke Helms, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanagerin, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-26036

E-Mail: frauke.helms@kit.edu

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