Undersøgelse af glødende glasdråber på ISS

Forskere vil snart studere materialeprøver på ISS. De pågældende materialer er superhårde og korrosionsbestandige legeringer af palladium, nikkel, kobber og fosfor - også kendt som metalliske glas. En højteknologisk virksomhed fra La Chaux-de-Fonds, der producerer materialer til urindustrien, er også involveret.

Disse materialer har farven som hvidguld, men er hårde som kvartsglas og udviser samtidig høj elasticitet. Deres glatte overflade er fri for krystallinske strukturer, hvilket gør materialerne modstandsdygtige over for salte eller syrer. Individuelle stykker - for eksempel til medicinske implantater - kan fremstilles ved hjælp af 3D-print, mens større serier - for eksempel til urkasser - fremstilles ved hjælp af sprøjtestøbning. Det er nogenlunde sådan, materialet i deres drømme beskrives af de videnskabsmænd, der i øjeblikket forsker. De taler om bulk metallisk glas.

Hos Empa har Antonia Neels, leder af Empas Center for X-ray Analytics, arbejdet på disse mystiske materialer i omkring 15 år. Hendes team undersøger den indre struktur af metallisk glas ved hjælp af forskellige røntgenmetoder og opdager derved sammenhænge med egenskaber såsom deformerbarhed eller brudadfærd. Selv for fagfolk inden for materialevidenskab er metalliske briller en svær nød at knække:"Jo nærmere vi ser på prøverne, jo flere spørgsmål opstår," siger Antonia Neels. Dette ansporer forskernes ambitioner så meget desto mere.

Sammen ud i rummet

Om et par måneder vil en prøve af metallisk glas blive undersøgt i mikrogravitationen på Den Internationale Rumstation (ISS). En gruppe forskere med Empa-deltagelse har forberedt prøverne og registreret dem hos European Space Agency ESA til rumflyvning. Speciallegeringen er leveret af firmaet PX Group fra La Chaux-de-Fonds, som producerer materialer til urindustrien og dentalteknologi. Holdet omfatter også forskerne Markus Mohr og Hans-Jörg Fecht fra Institute of Functional Nanosystems ved University of Ulm og Roland Logé fra Laboratory of Thermomechanical Metallurgy ved EPFL i Neuchâtel.

Fremstillingen af ​​metallisk glas er ikke helt simpel:Sammenlignet med vinduesglas skal de særligt udvalgte metallegeringer afkøles op til hundrede gange hurtigere, så metalatomerne ikke danner krystallinske strukturer. Først når smelten størkner ekstremt hurtigt, er den i stand til at danne et glas. I industrien fremstilles tynde plader af metallisk glas ved at presse smelten mellem hurtigt roterende kobbertromler. Forskere støber nogle gange deres prøver i forme lavet af massivt kobber, som spreder varmen særligt godt. Men større, solide emner lavet af metallisk glas er ikke mulige ved at bruge disse metoder.

3D-printning hjælper

En mulig vej ud af dilemmaet er 3D-print ved hjælp af en proces kendt som pulverbed-proces. Et fint pulver af den ønskede legering opvarmes i nogle få millisekunder med en laser. Metalkornene smelter sammen med deres naboer og danner en slags folie. Derefter lægges et tyndt lag pulver ovenpå, laseren smelter det frisk påførte pulver sammen med den underliggende folie, og dermed skabes der efterhånden et tredimensionelt emne af mange kortvarigt opvarmede pulverkorn.

Denne metode kræver en fin dosis af laserpulsen. Hvis laseren brænder for svagt på pulveret, smelter partiklerne ikke sammen, og emnet forbliver porøst. Hvis laseren brænder for kraftigt, smelter den også de nederste lag igen. Den multiple smeltning gør det muligt for atomerne at omarrangere sig selv og danne krystaller – og det er enden på metallisk glas.

Røntgenmetoder og deres ekstraordinære mangfoldighed

Hos Empa's Center for X-ray Analytics har Antonia Neels' team allerede analyseret flere sådanne prøver fra 3D-printeksperimenter. I mellemtiden rejser resultaterne altid nye spørgsmål. "Nogle beviser tyder på, at glassens mekaniske egenskaber ikke forringes, men tværtimod faktisk forbedres, hvis prøven indeholder små krystallinske fraktioner," siger Neels. "Nu undersøger vi spørgsmålet om, hvor stor denne krystalfraktion i glasset skal være, og hvilken slags krystaller der skal dannes for at øge f.eks. glassets bøjelighed eller slagstyrke ved stuetemperatur."

For at spore krystalvækst i et ellers amorft miljø bruger Empa-eksperter en række røntgenmetoder. "Med stråling af forskellige bølgelængder kan vi lære om strukturen af ​​de krystallinske dele, men også bestemme tætte fænomener for atomerne i prøven - med andre ord bestemme egenskaberne af de kemiske bindinger," forklarer Neels. Derudover afslører røntgenbilleddannelsesanalyse, kendt som mikro-CT, detaljer om tæthedsudsving i prøven. Dette indikerer faseadskillelse og krystaldannelse. Imidlertid er tæthedsforskellene mellem de glasagtige og krystallinske områder ekstremt små. Detaljeret billedbehandling er derfor nødvendig for at visualisere den tredimensionelle fordeling af de krystallinske dele.

Parabolflyvning i Airbus

Men materialeprøver fra 3D-laserprinteren alene kan ikke helt løse gåden med metalliske briller. "Vi skal vide, ved hvilke temperaturer disse krystaller danner, og hvordan de vokser - for at kunne bruge dem til at definere stabile fremstillingsprocesser," forklarer røntgenspecialist Neels. Vigtig information er givet af termofysiske parametre for smelten, såsom viskositet og overfladespænding. Eksperimenter på ISS giver ideelle betingelser for disse analyser. Foreløbige eksperimenter finder sted i parabolflyvninger.

Allerede i 2019 er de første dråber af metallisk glas flydt på forsøgsbasis. En specielt ombygget Airbus A310 fra selskabet Novespace fløj en nul-tyngdekraftsflyvning med en materialeprøve. Om bord var forskere fra Ulm og en lille, metallisk glasdråbe fra selskabet PX Group i La Chaux-de-Fonds. Det metalliske glas, som forskergruppen undersøger, består af palladium, kobber, nikkel og fosfor. I eksperimentet kaldet TEMPUS (digelfri elektromagnetisk behandling under nul tyngdekraft) blev glasdråben holdt i suspension ved hjælp af et magnetfelt og varmet op til 1500 grader Celsius ved induktion. Under afkølingsfasen fik to korte impulser af induktionsstrøm den glødende dråbe til at oscillere. Et kamera optog eksperimentet. Efter landing blev materialeprøven analyseret på Empas Center for røntgenanalyse.

Hvorfor ISS leverer flere resultater

Analysen af ​​videoen fra den parabolske flyvning gør det muligt at drage konklusioner om dråbens viskositet og overfladespænding - vigtige data for bedre at kontrollere produktionen af ​​metalliske glas med specifikke egenskaber. Men tiden for mikrotyngdekraften under flyvningen varer kun 20 sekunder - for lidt til en detaljeret analyse. Det kan kun gøres på ISS.

Så nu er en prøve af det samme materiale blevet registreret til en flyvning i det europæiske COLUMBUS-modul på ISS. Den elektromagnetiske levitationsovn ISS-EML har været installeret der siden 2014. I hvert tilfælde flyver 18 materialeprøver med, udveksles automatisk og kan observeres af forskere på Jorden via videostream. Det metalliske glas fra Schweiz vil gå ud i rummet med det næste parti prøver.

Nye støbeprocesser

Forskerne planlægger at generere en computersimulering af smelten ud fra de langt mere detaljerede data opnået under rumflyvningen. Dette vil samle alle svarene i en enkelt model gennem en kombination af eksperimenter på Jorden og i rummet:Ved hvilken temperatur er der hvilken viskositet og overfladespænding? Hvornår dannes krystaller af hvilken sammensætning, størrelse og orientering? Hvordan påvirker denne indre materialestruktur egenskaberne af det metalliske glas? Ud fra alle disse parametre ønsker forskerne at udvikle en fremstillingsmetode sammen med industripartneren PX Group, for at kunne fremstille det eftertragtede materiale i en defineret form. Så der er stadig meget for materialeforskerne at gøre i de næste par år. + Udforsk yderligere

Hurtigere og mere præcis måde at finde metalliske briller på