05.07.2021 - University of Tokyo

Sie wollen neue fortschrittliche Materialien?

Dafür gibt es einen Phasenübergang

Ob man es glaubt oder nicht, Stahl hat etwas mit bakteriellen Anhängseln gemeinsam: Beide können eine besondere Art der physikalischen Transformation durchlaufen, die nach wie vor rätselhaft ist. Jetzt haben Forscher aus Japan und China durch direkte mikroskopische Beobachtungen mehr Klarheit darüber geschaffen, wie diese Transformation abläuft.

In einer Studie, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Forscher des University of Tokyo Institute of Industrial Science und des Fudan University Department of Physics bisher unbekannte physikalische Details aufgedeckt, die den kristallinen Festkörper-zu-Festkörper-Phasenübergängen in weichen Materialien zugrunde liegen und möglicherweise zeigen, wie Forscher die Eigenschaften von fortschrittlichen Materialien besser nutzen können.

Eine spezielle Art von Festkörper-Phasenübergang, bekannt als martensitischer Übergang, ist ein spannendes Grenzgebiet in der Medizin, Technologie und anderen Bereichen. Der martensitische Übergang wird durch eine koordinierte Bewegung von Atomen in einem Material ermöglicht, die die Eigenschaften des Materials verändert, ohne seine chemische Zusammensetzung zu verändern. Sowohl Metalllegierungen als auch Proteine können diesen Übergang durchlaufen. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass in leicht verformbaren, weichen Materialien der Übergang anders abläuft als in harten Materialien mit stabilen Defekten. Derzeit ist diese Hypothese schwer zu testen, was die Forscher angehen wollten.

"Bisher war es eine Herausforderung, den dynamischen Prozess der martensitischen Übergänge in weichen Materialien auf Einzelpartikelebene mikroskopisch zu beobachten", sagt Co-Seniorautor der Studie Hajime Tanaka. "Man muss ein Mittel finden, um dies auf eine Weise zu tun, die den Übergang schnell und ohne schädliche Störung des Systems einleitet."

Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher eine schonende Technik, die als Ionenaustausch bekannt ist - im Prinzip die gleiche Methode, die verwendet wird, um Kalzium- und Magnesiumionen aus Wasser zu entfernen -, um die Kristallstruktur von polymeren Mikropartikeln schnell zu verändern. Die Kinetik der resultierenden martensitischen Übergänge kann man mit einem Mikroskop mit Einzelteilchenauflösung beobachten.

"Die Ergebnisse der Mikroskopie waren eindeutig", erklärt Peng Tan, Co-Senior-Autor der Studie. "Wir beobachteten drei bisher unbekannte Mechanismen, durch die sich aus kubisch-flächenzentrierten weichen kolloidalen Kristallen körperzentrierte kubische Kristalle bilden, abhängig von den jeweiligen Bedingungen."

Die Forscher untersuchten die Eigenschaften dieser Wege - thermisch aktivierte In-Korn-Keimbildung, Korngrenzen-Premelting-unterstützte Keimbildung und Wand-unterstütztes Wachstum - mit besonderem Fokus darauf, wie die Energiebarriere für den Übergang in jedem Fall reduziert wird.

"Die Weichheit eines Kristalls spielt eine entscheidende Rolle bei der thermisch aktivierten In-Korn-Keimbildung", erklärt Tanaka. "Die beiden anderen Pfade hingegen können auch in harten Materialien auftreten."

Diese Ergebnisse haben vielfältige Anwendungen. Zum Beispiel können einige Pharmazeutika ihre Verfügbarkeit im Körper durch Festkörper-Phasenübergänge verändern; daher könnte das Verständnis, wie man kontrolliert, wann und wo solche Übergänge auftreten, eine neue Möglichkeit der gezielten Medikamentenabgabe bieten. Ein besseres Verständnis der physikalischen Mechanismen von Festkörper-zu-Festkörper-Transformationen unterstützt die Entwicklung neuer Materialien, die für Anwendungen maßgeschneidert werden können.

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