Topologische Frustration und Glasbildungsneigung Schwefel-haltiger metallischer Glasbildner

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Busch; Professor Dr. Andreas Meyer; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419370172

Im Jahre 2017 haben R. Busch und Mitarbeiter eine neue Familie metallischer Gläser entwickelt, welche durch das Legierungselement Schwefel (S) gekennzeichnet ist. In den meisten Fällen führte die Zugabe von Schwefel zu einer Erhöhung der Glasbildungsfähigkeit. Für andere Legierungstypen führte die Zugabe von Schwefel sogar erstmalig zur Bildung massiver glasartiger Erstarrungsprodukte. Es ist in diesem Zusammenhang wichtig zu berücksichtigen, dass Schwefel ein höchst komplexes Koordinationsverhalten zeigt und mehr Allotrope bildet als jedes andere Element. Dabei ist der S8-Ring unter Umgebungsbedingungen die häufigste Modifikation. Im geschmolzenen Zustand existieren auch in reinem Schwefel eine Variation von Allotropen, unter anderem S8-Ringe oder Ketten. Auch das Auftreten helikaler Strukturen mit acht S-Atomen ist berichtet worden. Konzeptionell kann daher angenommen werden, dass das Legieren von Schwefel zu einer metallischen Schmelze zur Erhöhung derer topologischer Variabilität und Komplexität führt. Im Kontext von Struktur-basierten Modellen für die Glasbildung metallischer Schmelzen, inklusive früher Assoziationsmodelle fördert eine erhöhte strukturelle Komplexität die Glasbildungsneigung aufgrund geometrischer Frustration. Für die hier vorgeschlagene systematische Studie wurden drei unterschiedliche Legierungsgruppen mit geringem-, mittlerem- und hohem S-Anteil identifiziert. Dabei besteht, bezogen auf die jeweiligen S-freien Basislegierungen, folgende Korrelation: massive glasbildende Legierungen mit mehr als 20 at. % Schwefel basieren auf Legierungen welche eine feste kristalline Lösung und kein Glas bilden (wie z.B. Pd-Ni); mittlere S-Anteile unter 10 at. % sind notwendig um Massivglasbildung bei Basislegierungen zu beobachten, welche ohne Zusatz nur marginale Glasbildner, wie z.B. TiNi, darstellen und nicht als Massivglas hergestellt werden können. Zusammengefasst stellt die Erhöhung der Glasbildungsneigung der drei unterschiedlichen Gruppen von Legierungen durch das Legieren mit Schwefel einen neuartigen Zugang dar, um Korrelationen zwischen der lokalen atomaren Struktur, der atomaren Mobilität und Diffusivität, dem Impulstransfer gegeben durch die Viskosität, den thermodynamischen Potentialen und der Glasbildungsneigung im Detail zu analysieren. Es ist daher das Ziel des vorliegenden Antrags, in einem systematischen und konzertierten Ansatz stehen folgende zusammenhängende Fragestellungen zu untersuchen:- Wie modifiziert Schwefel als Legierungselement die Viskosität und die atomare Mobilität der Legierungselemente in der Schmelze und im Glas? - Resultiert die erhöhte Glasbildungsneigung S-haltiger Systeme von einer verringerten mikroskopischen Dynamik, einem modifizierten mesoskopischen Fließverhalten oder modifizierter thermodynamischer Randbedingungen?- Wie beeinflusst das Legieren mit Schwefel die "medium range order" in der Schmelze und im Glas?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen