Gesundheit : Zwischen fest und flüssig

Forscher beobachten, wie Atome aus geschmolzenem Metall in Kristalle wandern

Paul Janositz

Man hat sich längst daran gewöhnt, dass Elektronik immer kleiner wird. Mittlerweile sind Leiterbahnen auf Computer-Chips nur noch einige Dutzend Nanometer (Millionstel Millimeter) groß. Nich weit entfernt vom Durchmesser von Atomen, der im Angstrom-Bereich (zehnmillionstel Millimeter) liegt. Um die Produktion etwa von Halbleitern optimieren zu können, müssen also atomare gesteuert werden.

Was spielt sich an der Grenzfläche zwischen flüssigen und festen Materialien ab? Das ist wichtig, wenn etwa Kontakte im Nanobereich gelötet werden sollen. Aber auch andere Prozesse, bei denen es um Erstarrung oder Kristallwachstum geht, führen in immer kleineren Dimensionen.

Nun ist es Wissenschaftlern um Manfred Rühle vom Stuttgarter Max-Planck- Institut für Metallforschung gelungen erstmals gelungen, atomare Prozesse an der Grenzfläche von flüssigem Aluminium und festem Aluminiumoxid zu beobachten (veröffentlicht im Fachblatt „Science“, Band 310, Seite 661). Sie nahmen das Wachstum eines Kristalls aus Aluminiumoxid (Korund) unter die Lupe, der auch als „Saphir“ bezeichnet wird. Diese sehr stabile Form von Aluminiumoxid wird auch beim Bau von Halbleitern verwendet.

Für den exakten Grenzblick bedurfte es eines supergenauen Mikroskops, das nicht nur atomare Strukturen abbilden, sondern gleichzeitig auch chemische Reaktionen anstoßen kann. In Stuttgart wurde das Versuchssystem auf Temperaturen von 850 Grad Celsius erhitzt, also über den Schmelzpunkt von Aluminium, der bei 660 Grad Celsius liegt. Die Auflüsung des Hochspannungs-Elektronenmikroskop betrug 0,12 Nanometer.

„Das Transmissions-Elektronenmikroskop gehört zu den am höchsten auflösenden Geräten weltweit“, sagt Rühle. „Sesam“ nennen es die Wissenschaftler, als Abkürzung für „Subelektronenvolt-Subangström-Mikroskop“. Es besitzt eine Auflösung von weniger als einem Angström (zehnmillionstel Millimeter) und kann chemische Vorgänge mit einer Energie von weniger als einem Elektronenvolt analysieren.

Der Name sollte aber auch verdeutlichen, dass das Instrument ein „Sesam öffne dich“ der Materialforschung darstellt. Zumindest für die Vorgänge um den wachsenden Kristall aus Aluminiumoxid trifft dies zu, denn die Stuttgarter Forscher konnten einen Videofilm aufnehmen, der mit 25 Bildern pro Sekunde zeigt, wie sich „Saphir“ aus flüssigem Metall bildet und wie die Sauerstoffatome entlang der Grenzfläche eindringen. „Der Kristall wächst Lage für Lage“, sagt Rühle. Das ist erstaunlich, da sich im flüssigen Aluminium Bereiche unterschiedlicher Dichte zeigten. Je näher es an die Grenzfläche ging, desto geordneter zeigte sich die Flüssigkeit. Dies führen die Forscher auf den Einfluss des Kristalls zurück, der die Atome in der Flüssigkeit ordnet. Und dies trotz hoher Temperaturen, die die Atome beweglicher machen.

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