Viele wissenschaftliche und technologische Fortschritte beruhen auf der Entwicklung neuer Materialien, die optimal auf Änderungen der Umgebung reagieren können. Solche "funktionellen Materialien" reagieren sensitiv und spezifisch auf äußere Veränderungen und Einflüsse wie Temperatur oder Druck. In dem Projekt "Dynamische Elastizität komplexer Materialien" untersuchen Wilfried Schranz und sein Team von der Gruppe Nichtlineare Physik den Einfluss von Verzerrungen und mechanischen Spannungen auf das thermodynamische und dynamische Verhalten von komplexen Materialien. Durch ein enges Zusammenspiel zwischen experimenteller Arbeit, Computersimulationen und analytischer Theorie sollen Einblicke in die Eigenschaften von natürlichen Mineralien aus dem Erdinneren sowie von künstlich gezüchteten Kristallen gewonnen werden.
Aus dem Inneren der Erde
Das Innere unserer Erde ist bis heute - noch - nicht vollständig erforscht. Bekannt ist, dass rund 60 Prozent der Erde aus siliziumhaltigen Materialien - sogenannten Perovskit-Strukturen - bestehen. Diese sind in der Erde einem großen Druck ausgesetzt: "Im Zentrum herrscht ein Druck von 350 Giga-Pascal. Das entspräche versinnbildlicht dem Druck von zehn Millionen Elefanten auf einem ein Quadratmeter großen Würfel", erklärt Projektleiter Wilfried Schranz.
Doch was passiert bei der Druckbelastung mit den Mineralien? "Bei Druckausübung entstehen im Inneren unter anderem sogenannte Hochdruckphasenübergänge. Bisher fehlte dazu jedoch eine entsprechende Theorie. Im Zuge des Projektes haben wir nun eine thermodynamische Theorie entwickelt, die wir zurzeit in Experimenten testen", so Wilfried Schranz.
Dazu müssen die WissenschafterInnen die Materialien aus dem Erdinneren im Labor ebenfalls "unter Druck setzen" - doch nur wenige Maschinen können einen Druck über 100 Giga-Pascal erzeugen. Solche Diamantstempelexperimente werden daher in enger Kooperation mit der Gruppe von Ronald Miletich von der Universität Heidelberg durchgeführt.
Neuartige Erkenntnisse
Um das elastische Verhalten der Materialien in einem Frequenzbereich von Millihertz bis 100 Megahertz und einem Temperaturbereich zwischen -267°C und 1.220°C zu messen, haben die PhysikerInnen einen dynamisch-mechanischen Analysator, der eigentlich für die Bestimmung von weichen Materialien gedacht ist, für ihre Experimente zweckentfremdet. "Bei hohen Frequenzen verändert sich das Material meist nicht, aber bei tiefen Frequenzen gibt es oft wie eine Ziehharmonika nach und wird um bis zu 80 Prozent weicher. Diesen Effekt nennt man 'Superelastizität'", erklärt Wilfried Schranz.
Einen zweiten Effekt, den Wilfried Schranz und sein Team untersucht haben, sind Veränderungen der Temperatur bei Druckausübung. Zur Verdeutlichung: Wenn man einen Reifen mit einer Fahrradpumpe langsam aufpumpt, bleibt die Pumpe kalt, da sie mit ihrer Umgebung Temperatur austauschen kann. Pumpt man jedoch schneller, wird die Pumpe heiß, da sie ihrer Umgebung gegenüber thermisch isoliert wird. Dieser Übergang wird als isotherm zu adiabatisch bezeichnet - und findet auch innerhalb der Materialien statt: "Der Übergang liegt im Bereich von einigen Hertz, also im Bereich von Erdbebenwellen. Mit Hilfe der zweckentfremdeten Apparatur ist es uns gelungen, diesen Effekt als bislang einziges ForscherInnen-Team auf der Welt zu messen und eine entsprechende Theorie zu entwickeln. Auf dieses Ergebnis sind wir besonders stolz. Es ist ein gutes Beispiel für das Zusammenspiel zwischen Theorie und Praxis", so Wilfried Schranz.
Breites Anwendungspotenzial
Neben den Mineralien aus dem Erdinneren haben die PhysikerInnen künstlich gezüchtete multiferroische Kristalle untersucht. Diese neuartigen Materialen sind sowohl ferroelektrisch als auch ferromagnetisch, d.h. sie sind zugleich durchsichtig und magnetisch. Bis vor kurzem galt diese Kombination in der Physik als unmöglich. "Es ist uns jetzt gelungen, die Wechselwirkung, die dazu führt, dass gewisse Materialien multiferroisch werden können, zu identifizieren. Zurzeit treten die Effekte zwar nur bei niedriger Temperatur auf, aber falls es irgendwann auch bei Raumtemperatur möglich sein sollte, bieten diese Materialien ein enormes Anwendungspotenzial - beispielsweise im Bereich der Speichermedien." (mw)
Das FWF-Projekt "Dynamische Elastizität komplexer Materialien" unter der Leitung von Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Wilfried Schranz von der Gruppe Nichtlineare Physik der Fakultät für Physik läuft vom 1.12.2006-30.11.2010. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten in England (Univ. of Cambridge), Frankreich (Univ. of Picardie), Deutschland(Univ. Heidelberg), Slowenien (Jozef Stefan Institute) ,und Polen(Institute of Nuclear Physics) durchgeführt. |
