Metalle dehnen sich normalerweise bei steigender Temperatur aus. Ein bekanntes Beispiel ist der Eiffelturm, der im Sommer aufgrund dieses Effekts um bis zu 15 cm höher ist als im Winter. In vielen technischen Anwendungen stellt die thermische Ausdehnung jedoch ein Problem dar. Daher suchen Forschende schon lange nach Materialien, die auch bei Temperaturschwankungen ihre Form behalten.
Eine vielversprechende Entdeckung wurde nun durch eine Kooperation zwischen der TU Wien und der Beijing University of Technology erzielt. Mit Hilfe komplexer Computersimulationen gelang es, den sogenannten Invar-Effekt besser zu verstehen und eine neue Legierung zu entwickeln: den Pyrochlor-Magneten. Dieses Material zeigt über einen extrem breiten Temperaturbereich hinweg nahezu keine Ausdehnung.
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Simulationen helfen, die Wechselwirkungen zu verstehen
Dr. Sergii Khmelevskyi vom Vienna Scientific Cluster (VSC) Forschungszentrum erklärt: „Wenn sich die Temperatur erhöht, bewegen sich Atome stärker. Dadurch vergrößert sich der mittlere Abstand zwischen ihnen, was zur thermischen Ausdehnung führt.“ Dieser Effekt ist grundsätzlich nicht zu verhindern. Doch durch gezielte Materialkombinationen kann er ausgeglichen werden.
Bereits seit längerem ist bekannt, dass Eisen-Nickel-Legierungen mit dem Invar-Effekt kaum auf Temperaturschwankungen reagieren. Forschende vermuteten, dass magnetische Wechselwirkungen eine Rolle spielen, konnten dies jedoch nicht genau erklären. Mithilfe moderner Simulationen konnte das Team um Khmelevskyi diese Mechanismen erstmals detailliert untersuchen.
Der Invar-Effekt und seine physikalische Grundlage
Die Forschenden fanden heraus, dass sich bestimmte Elektronen innerhalb der Eisen-Nickel-Legierung bei steigender Temperatur anders verhalten. Die magnetische Ordnung im Material nimmt ab, wodurch es sich zusammenzieht. Dieser Effekt kompensiert die normale thermische Ausdehnung fast vollständig.
Dank dieser Erkenntnisse konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Theorie entwickeln, die nicht nur den Invar-Effekt erklärt, sondern auch Vorhersagen für andere Materialien ermöglicht. Diese neue Grundlage wurde genutzt, um gezielt eine noch bessere Legierung zu entwerfen: den Pyrochlor-Magneten.
Der Pyrochlor-Magnet – ein Material ohne Ausdehnung
Zusammen mit Forschenden der Beijing University of Technology testete das Team um Khmelevskyi ihre theoretischen Vorhersagen in der Praxis. Das Ergebnis ist der Pyrochlor-Magnet, eine Legierung aus vier Metallen: Zirkonium, Niob, Eisen und Kobalt.
Diese spezielle Kombination führt dazu, dass das Material über einen breiten Temperaturbereich hinweg eine fast verschwindende Ausdehnung aufweist. Yili Cao von der Beijing University of Technology erklärt: „Unser Material zeigt eine bisher unerreicht geringe thermische Ausdehnung von minus 270 bis plus 150 Grad Celsius.“
Ein entscheidender Faktor für die einzigartigen Eigenschaften des Pyrochlor-Magneten ist seine unregelmäßige Gitterstruktur. Während Invar-Legierungen eine einheitliche Struktur aufweisen, besteht der Pyrochlor-Magnet aus unterschiedlichen Bereichen mit variierender Kobalt-Konzentration. Dadurch reagieren verschiedene Zonen im Material unterschiedlich auf Temperaturschwankungen. Insgesamt gleicht sich die thermische Bewegung der Atome so aus, dass das Material praktisch stabil bleibt.
Anwendungsgebiete und Potenzial
Der Pyrochlor-Magnet bietet laut Forschungsteam ein enormes Potenzial für zahlreiche High-Tech-Anwendungen. Besonders in Bereichen, in denen extreme Temperaturschwankungen auftreten, könnte dieses Material revolutionär sein. Dazu zählen:
- Luft- und Raumfahrttechnik
- Hochpräzise Messtechnik
- Elektronische Bauteile mit hohen Anforderungen an thermische Stabilität
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