Der molekulare Fingerabdruck in der Materialforschung

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Gestern vor über einem Jahrhundert kam Wilhelm Conrad Röntgen der
Röntgenstrahlung auf die Spur – eine Entdeckung, die die Welt für immer
veränderte und heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken ist. In der
Materialforschung gewährt sie Einblicke in das Innenleben von Werkstoffen
sowie Bauteilen und hilft, das komplexe Gefüge von Substanzen zu
entschlüsseln, ohne sie zu beeinträchtigen. Auch am Institut für
Materialforschung der Hochschule Aalen (IMFAA) kommt die Röntgenstrahlung
im Hochtemperatur-Röntgendiffraktometer zum Einsatz. Ziel ist es, die
Qualität der vorhandenen Materialien zu steigern, diese weiterzuentwickeln
und neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften herzustellen.

Ob Smartphones, Elektromotoren für Autos oder Generatoren für Windstrom:
Innovative Magnet- und Batteriematerialen spielen für die moderne Technik
eine wichtige Rolle. Um die Werkstoffe mit hoher Qualität und mit
optimalen Eigenschaften zu generieren, schauen sich die Forscherinnen und
Forscher des Instituts für Materialforschung diese ganz genau an – bis in
die atomare Ebene. Denn die Eigenschaften eines Materials hängen stark von
der Anordnung der Atome ab. Diese sind in regelmäßigen Abständen
lokalisiert und bauen so ein Kristallgitter auf − ähnlich wie in
Natriumchlorid-Kristallen, aus denen Kochsalz besteht.

„Wenn bei der Materialherstellung oder -verarbeitung Prozesse bei falschen
Temperaturen oder nicht optimalen Bedingungen stattfinden, kann es schon
mal vorkommen, dass sich störende Materialverbindungen entwickeln“,
erläutert Andreas Kopp, Doktorand am IMFAA. Diese schränkten die Funktion
ein, manchmal sei das Material gar nicht zu gebrauchen, so Kopp. Wichtige
Erkenntnisse sowohl über den Ab-lauf in der Materialherstellung als auch
in der Wärmebehandlung liefert ein neues Analysegerät: das
Röntgendiffraktometer, kurz auch XRD genannt (aus dem Englischen für X-ray
diffractometer).

Ein Fingerabdruck für jedes Material

Im XRD werden Materialproben mit Röntgenstrahlen analysiert. Statt eines
dreidimensionalen Bildes, wie es bei einem klassischen
Computertomographie-Scan der Fall ist, wird die Strahlung bei diesem
Verfahren am Kristallgitter gebeugt. Man misst am Ende den Winkel zwischen
dem einfallenden und dem gebeugten Röntgen-strahl. „Diese gebeugten
Röntgensignale sind wie ein Fingerabdruck für jedes Material und geben
Informationen über das Kristallgitter der Materialien wieder, also über
die Art und Weise, wie die Atome angeordnet sind“, erklärt Kopp. Für die
Materialforschung sei dies von unschätzbarem Wert. Das Forschungsinstitut
nutzt diese Technologie, um Veränderungen in den Kristallgittern gezielt
zu analysieren, die beispielsweise beim Härten von Stahl auftreten.

Das optimale „Backrezept“ für die Materialherstellung

Dabei verfügt die XRD-Anlage über drei Lineardetektoren und kombiniert
diese mit einem Ofen. Dies ermöglicht, die Prozesse der Materialumwandlung
in Echtzeit zu überwachen. Hier kann die Temperatur direkt angepasst und
die Phasen eines Materials – also die unterschiedlichen Anordnungen der
Atome – thermisch induziert und live verfolgt werden. „Damit können wir
dann das optimale ‚Backrezept‘ für die Materialherstellung finden“,
ergänzt der Doktorand.

Die Anwendung der Röntgenanalyse spielt auch in der Batterieforschung eine
entscheidende Rolle, da sie die detaillierte Untersuchung von Struktur und
Zusammensetzung von Batteriematerialien ermöglicht. „Von der
Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bis hin zur Reaktionstemperatur und
-zeit gibt es eine Vielzahl von Parametern, die optimiert werden können“,
sagt Dr. Pinar Kaya, Batterieforscherin und Nachwuchsgruppenleiterin am
IMFAA. „Das Verfahren mittels XRD liefert innerhalb von Minuten den
vollständigen strukturellen Fingerabdruck der Materialien und gibt somit
einen tiefen Einblick in die Funktionsweise von Batterien“, erläutert sie.
Dies sei vorteilhaft, um die Batteriealterung zu verstehen und die
Entwicklung effizienterer Batterien voranzutreiben. Daran wird in
zahlreichen Forschungsprojekten gearbeitet, unter anderem im Netzwerk
SmartPro, in dem die Hochschule Aalen mit 60 Partnern an Materialien und
Zukunftstechnologien für Klimaschutz durch Energieeffizienz und
Ressourcenschonung forscht. „Die Fähigkeit, das XRD in der
Batterieforschung einzusetzen, eröffnet neue Horizonte für die Optimierung
von Batterieelektroden und die Verbesserung ihrer Leistungsfähigkeit“,
sagt Pinar Kaya und fügt schmunzelnd hinzu: „So rücken beispielsweise
weite Strecken mit Elektroautos immer näher.“