Grundlagenforschung für die Praxis


Grundlagenforschung für die Praxis: Modelle der Geophysik auch für
Materialwissenschaften nützlich

Computersimulationen aus den Geowissenschaften klären Rätsel um
Wirbelstrukturen in Multischichtmetallen auf

Grundlagenforschung kann manchmal ungewöhnliche Wege nehmen, um
schließlich unerwartet zur Anwendung zu kommen. So ist es Forschern vom
Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
(JGU) gelungen, geodynamische Computermodelle auf praktische Fragen der
Materialwissenschaften anzuwenden und damit ein Problem der
Metalldeformation zu lösen – ein komplett anderes Fachgebiet. Die Gruppe
um Prof. Dr. Boris Kaus zeigt in ihrer Arbeit, dass dieselbe
Instabilität, die kilometerdicke Felslagen über lange Zeiträume zur
Faltung bringt, auch auf Mikrometerebene, in diesem Fall bei Metallen,
wirksam ist.

Die Forschungsarbeit, die in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) erfolgte, wurde von Nature Communications publiziert.

Ausgangspunkt war eine Arbeit der Karlsruher Kollegen um Prof. Dr. Horst
Hahn, die zum ersten Mal überhaupt mechanisches Mixen von Metallen in
dreidimensionaler
Form zeigen konnten. Mechanisches Mixen erfolgt, wenn zum Beispiel zwei
Metalle aufeinanderdrücken und deformiert werden. In der
3-D-Darstelllung zeigte
sich, dass dieses Mixen komplizierter aussieht, als der Verlauf im
Experiment hätte erwarten lassen. Insbesondere treten rotierende
Strukturen auf, die
Ähnlichkeiten mit Wolken oder Flüssigkeiten aufweisen und daher zunächst
als Kelvin-Helmholtz-Instabilität gedeutet wurden.

Wirbelstrukturen in Metallen ähneln Gesteinsdeformationen

Tatsächlich aber findet sich eine weit größere Übereinstimmung der
rotierenden Strukturen in den Metallen mit geophysikalischen Strukturen,
die ein Wissenschaftler
in einem Mikrotektonik-Buch des Mainzer Geowissenschaftlers Prof. Dr.
Cees Passchier entdeckt hat. „Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten konnten
nicht die Lösung
für das Problem sein, weil sich Luft und Wasser viel schneller bewegen
als Metalle und deswegen die grundlegende Physik anders ist“, erklärt
Kaus zu den
Zusammenhängen. Die Mainzer Forscher wiesen nach, dass die in Karlsruhe
gefundenen Strukturen Ähnlichkeiten mit Gesteinsdeformationen im Gebirge
zeigen
und die grundlegende Physik praktisch identisch ist.

Erstautor Dr. Mohsen Pouryazdan vom KIT und seine Kooperationspartner
stellen in Nature Communications eine Strategie vor, die zeigt, wie die
morphologische
Entwicklung bei sich verformenden Feststoffen, bestehend aus mehreren
Phasen, auf Mikrometerskala verläuft. Dazu werden mit hohem Druck
Torsionskräfte
auf die Multischichtmetalle aus Silber und Kupfer sowie Aluminium und
Kupfer ausgeübt. Anschließend werden die Materialien mit Hilfe von
Röntgen-Synchrotron-Tomographie in 3-D dargestellt. Hier sind in den
sich verformenden Feststoffen verschiedene morphologischer Ereignisse zu
sehen, darunter Faltformationen und Wirbel.
Im nächsten Schritt schlagen die Wissenschaftler ein numerisches Modell
vor. Die experimentellen Funde dienen praktisch als Referenz, um das
Computermodell
zu evaluieren.

Die Computersimulation zeigt, dass die anscheinend komplexen
experimentellen Beobachtungen relativ einfach reproduziert werden
können, indem nur wenige
Materialparameter wie Viskosität und Stressexposition als Input
verwendet werden. Demnach lässt sich die Scher-Instabilität in dem
Metall-Experiment mit
geologischen Systemen vergleichen, die sich auf großen Längenskalen und
über Millionen von Jahren hinweg verändern.

Auch wenn das Experiment jetzt mit Multischichtmetallen unter
Scherbelastung erfolgt ist, so ist das Modell nicht nur auf solche Fälle
begrenzt, sondern
kann auf irgendein Materialsystem angewendet werden, unabhängig von
seiner Morphologie. Damit ist das Modell ein vielseitiges Werkzeug, um
eine große Palette
von Materialien und materialverarbeitenden Techniken zu untersuchen.
„Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass Modellierungstechniken aus der
Grundlagenforschung
in den Geowissenschaften ganz praktische Anwendungen für die
Materialwissenschaften haben“, bemerkt Boris Kaus. „Dabei war unsere
Software entwickelt worden,
um Gebirgsbildungsprozesse zu simulieren – ein schönes Beispiel dafür,
dass Grundlagenforschung immer unerwartete Anwendungen haben kann.“

Metalle, Uni Mainz

Abb.:

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