Neuartige Strukturvariante im Metallgitter entdeckt

Wenn man Metalle stark erhitzt, verändern sie ihre Kristallstruktur. Jetzt ist es Forschenden erstmals gelungen, ein Zwischenstadium dieses sogenannten Martensit-Übergangs in einem Material zu stabilisieren und sichtbar zu machen. Spannend ist dies deshalb, weil dieser Strukturwechsel unter anderem für die Eigenschaften von Stahl und weiteren wichtigen Werkstoffen verantwortlich ist. Die mithilfe von Silbernanopartikeln erzeugten Kristallsupergitter zeigten zudem ungewöhnliche optische Merkmale, wie das Team in „Science“ berichtet.

In Metallen ordnen sich die Atome typischerweise in einer von zwei Gitterstrukturen an: kubisch flächenzentriert (FCC) oder kubisch raumzentriert (BCC). In beiden Fällen sitzen Metallatome in allen Ecken der würfelförmigen Grundeinheit dieses Gitters. Beim flächenzentrierten Gitter platzieren sich die restlichen Atome jeweils im Zentrum der Würfelflächen, diese FCC-Gitterstruktur ist besonders dicht und stabil, aber oft spröde. In der raumzentrierten Variante bleiben die Flächen leer, nur im Zentrum des Gitterwürfels liegt noch ein weiteres Atom. Dieses BCC-Gitter ist nachgiebiger und macht Metalle formbar.

Zwischenstadien bisher nur theoretisch postuliert

Wichtig sind solche atomaren Gitterstrukturen, weil sie die Eigenschaften wichtiger Metallwerkstoffe prägen, beispielsweise des Stahls. Er geht teilweise in die FCC-Struktur über, den sogenannten Martensit. Dies verleiht ihm seine erhöhte Festigkeit. „Materialforscher beschäftigen sich seit Langem damit, wie sich der Anteil von FCC und BCC in Metallen kontrollieren lässt, doch die Übergänge zwischen diesen Phasen waren schwer zu untersuchen, weil sie so instabil sind“, erklärt Co-Autor Timothy Moore von der University of Michigan.

Zwar gibt es verschiedene theoretische Modelle, die die atomaren Umlagerungen und Zwischenstufen dieses sogenannten Martensit-Übergangs simulieren. Experimentell ist es jedoch noch nicht gelungen, diese kurzlebigen Zwischenstadien genauer zu beobachten. Ob die Transformation wirklich so abläuft und wie die Zwischenformen aussehen, blieb daher ungeklärt – bis jetzt.

Silbernanopartikel als Analoga

Dem Team um Moore und Erstautor Yasutaka Nagaoka von der Brown University ist es nun erstmals gelungen, einen dieser bisher nur theoretisch postulierten Zwischenzustände beim Übergang von der FCC zur BCC-Gitterstruktur auch im Experiment nachzuweisen. Allerdings gelang ihnen dies nicht bei Eisen oder einem anderen massiven Metall, sondern mithilfe von Silbernanopartikeln. Diese dienten als Modell für einzelne Metallatome, durch eine Beschichtung mit „klebrigen“, kettenförmigen Molekülen interagieren diese Partikel ähnlich wie Atome in einem Metallgitter: Auch sie lagern sich zu einem Kristallgitter zusammen.

Der Clou dabei: Für ihre Experimente stellten die Forschenden Silbernanopartikel mit leicht unterschiedlicher Form her. Je nach Temperatur bei der Synthese bildeten sich eher kugelförmige oder eher eckige Formen. Letztere ähnelten Oktaedern mit abgeschnittenen Ecken – sogenannten Mecons. Dann beobachtete das Team, zu welchen Gitterstrukturen sich diese verschiedenen Varianten jeweils zusammenlagerten.

„Ein noch nie beobachteter, symmetriebrechender Phasenbereich“

Es zeigte sich: Je nach Form bildeten die Silbernanopartikel ein kubisch-flächenzentriertes Gitter, ein raumzentriertes Gitter oder aber Zwischenstadien beider Varianten. „Wir beobachteten eine graduelle Entwicklung von einem FCC- zu einem BCC-Gitter“, berichten Nagaoka und seine Kollegen. Dabei trat auch eine neuartige, stabile Gittervariante auf. Ihre wenig symmetrische Struktur entspricht einem der Zwischenstadien, die das Modell des sogenannten Nishiyama-Wassermann-Pfads für den FCC-BCC-Übergang theoretisch vorhersagt.

„Dieses Ensemble bildet einen zuvor noch nie beobachteten, symmetriebrechenden Phasenbereich“, schreiben die Forschenden. Diese neuartige Struktur ist trotz ihrer geringen Symmetrie stabil genug, um sie genauer untersuchen zu können. „Damit bietet unsere Arbeit ein experimentelles Analogon, mit dessen Hilfe man die martensitischen Transformationspfade in metallischen Systemen erforschen kann.“ Das könnte dabei helfen, Stahlsorten und andere Metallwerkstoffe zu optimieren.

Neue Ansätze für die Materialforschung

Nach Ansicht von Nagaoka und seinen Kollegen eröffnen solche Supergitter aus Nanopartikeln ganz neue Möglichkeiten für die Materialforschung. Denn mit ihnen lassen sich maßgeschneiderte Materialien mit gezielt einstellbaren Eigenschaften entwickeln. „Unsere Arbeit ist ein wenig so, als würden Kinder mit LEGO-Steinen spielen“, erklärt Seniorautor Ou Chen von der Brown University. „Wir synthetisieren einzigartige nanoskalige Bausteine und stapeln sie zu interessanten Strukturen.“

Dadurch lassen sich Gittervarianten finden, die es in der Natur nicht gibt – oder die, wie in diesem Fall, zu kurzlebig sind, um direkt beobachtet zu werden. Das neu entdeckte Zwischenstadium beim FCC-BCC-Übergang weist beispielsweise schon bei Raumtemperatur außergewöhnliche optische und quantenphysikalische Eigenschaften auf. Materialien nach diesem Strukturvorbild können daher für das Quantencomputing oder andere Systeme der Quanteninformation nützlich sein, wie das Team erklärt.

Quelle: Yasutaka Nagaoka (Brown University, Providence, Rhode Island) et al., Science, 2026; doi: 10.1126/science.ady6472

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar