Forschende des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben in einer neu entwickelten Aluminium-Zirkonium-Legierung sogenannte Quasikristalle entdeckt. Das berichtet das NIST in einem News-Artikel auf seiner Website. Diese speziellen atomaren Strukturen, die unter den extremen Bedingungen des metallischen 3D-Drucks entstehen, verbessern nachweislich die Festigkeit des Werkstoffs.
Die Erkenntnisse wurden im Fachjournal Journal of Alloys and Compounds unter dem Titel „Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing“ veröffentlicht und könnten künftig neue Anwendungen für 3D-gedruckte Aluminiumteile ermöglichen.
Ungewöhnliche Kristallformen mit praktischer Wirkung
Quasikristalle unterscheiden sich grundlegend von klassischen Kristallen: Während normale Kristalle aus sich wiederholenden atomaren Mustern bestehen, füllen Quasikristalle den Raum mit nicht-periodischen, jedoch geordneten Strukturen. Diese ungewöhnlichen Formen wurden erstmals in den 1980er-Jahren von Dan Shechtman – ebenfalls bei NIST – entdeckt, was ihm später den Nobelpreis für Chemie einbrachte.
Im aktuellen Fall bemerkte der NIST-Materialforscher Andrew Iams bei der Untersuchung der 3D-gedruckten Aluminiumlegierung unter dem Elektronenmikroskop ein ungewöhnliches atomisches Muster. „Als ich die Fünffachsymmetrie sah, wusste ich, dass es sich um Quasikristalle handeln könnte“, so Iams. Diese spezielle Symmetrie ist ein sicheres Indiz für das Vorliegen eines Quasikristalls, da solche Formen in regulären Kristallen nicht vorkommen.
Auswirkungen auf die Eigenschaften von 3D-gedrucktem Aluminium
Die bei NIST untersuchte Legierung basiert auf einer Entdeckung aus dem Jahr 2017: Damals fanden Wissenschaftler der HRL Laboratories und der University of California Santa Barbara heraus, dass Aluminium-Zirkonium-Legierungen im 3D-Druckprozess stabil bleiben und hohe Festigkeiten erreichen, wenn sie mit Zirconium versetzt werden. Das NIST-Team untersuchte nun die atomare Struktur dieser Legierung im Detail und stellte fest, dass die enthaltenen Quasikristalle maßgeblich zur hohen Festigkeit beitragen.
Metalle mit perfekten Kristallstrukturen gelten in der Regel als mechanisch weniger belastbar, da sich ihre Atome leichter gegeneinander verschieben können. Quasikristalle hingegen unterbrechen diese Regelmäßigkeit und führen zu strukturellen Defekten, die eine Verformung erschweren – das Material wird dadurch robuster.
Diese Erkenntnisse könnten in Zukunft neue Impulse für die Legierungsentwicklung geben. „Wir haben gezeigt, dass Quasikristalle Aluminium stärker machen. Künftig könnten Legierungen gezielt so entworfen werden, dass sie Quasikristalle enthalten“, erklärte NIST-Forscher Lyle Zhang.
Potenzial für industrielle Anwendungen
Die Entdeckung ist besonders relevant für Branchen, in denen leichte, aber gleichzeitig hochfeste Materialien benötigt werden, etwa in der Luftfahrt oder im Automobilbau. Komponenten wie Flugzeugteile, Wärmetauscher oder Fahrzeugrahmen könnten künftig aus solchen optimierten 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen gefertigt werden.
Darüber hinaus bietet die Erkenntnis einen neuen Ansatz für die Grundlagenforschung: Das gezielte Design von Legierungen auf atomarer Ebene könnte die additive Fertigung von Metallen grundlegend verändern und erweitern.