Forskare kommer snart att studera materialprover på ISS. Materialen i fråga är superhårda och korrosionsbeständiga legeringar av palladium, nickel, koppar och fosfor – även kända som metallglas. Ett högteknologiskt företag från La Chaux-de-Fonds som tillverkar material till klockindustrin är också inblandat.

Dessa material har vitgulds färg, men är hårda som kvartsglas och uppvisar samtidigt hög elasticitet. Deras släta yta är fri från kristallina strukturer vilket gör materialen resistenta mot salter eller syror. Enskilda delar – till exempel för medicinska implantat – kan tillverkas med 3D-utskrift, medan större serier – till exempel för klockfodral – tillverkas med hjälp av formsprutning. Ungefär så beskrivs materialet i deras drömmar av de forskare som just nu forskar. De talar om bulk metalliskt glas.

På Empa har Antonia Neels, chef för Empas centrum för röntgenanalys, arbetat med dessa mystiska material i cirka 15 år. Hennes team undersöker metallglasets inre struktur med hjälp av olika röntgenmetoder och upptäcker därmed samband med egenskaper som deformerbarhet eller brottbeteende. Även för proffs inom materialvetenskap är metallglas en svår nöt att knäcka:"Ju närmare vi tittar på proverna, desto fler frågor uppstår", säger Antonia Neels. Detta stimulerar forskarnas ambition desto mer.

Tillsammans ut i rymden

Om några månader kommer ett prov av metalliskt glas att studeras i mikrogravitationen på den internationella rymdstationen (ISS). En grupp forskare med Empa-deltagande har förberett proverna och registrerat dem hos Europeiska rymdorganisationen ESA för rymdflygning. Speciallegeringen levereras av företaget PX Group från La Chaux-de-Fonds, som tillverkar material för klockindustrin och dentalteknik. I teamet ingår också forskarna Markus Mohr och Hans-Jörg Fecht från Institute of Functional Nanosystems vid University of Ulm och Roland Logé från Laboratory of Thermomechanical Metallurgy vid EPFL i Neuchâtel.

Tillverkningen av metallglas är inte helt enkel:Jämfört med fönsterglas måste de speciellt utvalda metallegeringarna kylas upp till hundra gånger snabbare så att metallatomerna inte bildar kristallina strukturer Först när smältan stelnar extremt snabbt kan den bilda ett glas. Inom industrin framställs tunna skivor av metalliskt glas genom att smältan pressas mellan snabbt roterande kopparfat. Forskare gjuter ibland sina prover i formar gjorda av solid koppar, som avleder värme särskilt bra. Men större, solida arbetsstycken av metalliskt glas är inte möjliga med dessa metoder.

3D-utskrift hjälper

En möjlig väg ut ur dilemmat är 3D-utskrift med en process som kallas pulverbäddsprocess. Ett fint pulver av den önskade legeringen värms upp i några millisekunder med en laser. Metallkornen smälter samman med sina grannar och bildar en sorts folie. Sedan läggs ett tunt lager pulver ovanpå, lasern smälter ihop det nyapplicerade pulvret med den underliggande folien och på så sätt skapas gradvis ett tredimensionellt arbetsstycke av många kortvarigt uppvärmda pulverkorn.

Denna metod kräver en fin dos av laserpulsen. Om lasern brinner för svagt på pulvret smälter inte partiklarna samman och arbetsstycket förblir poröst. Om lasern brinner för kraftigt smälter den även de nedre lagren igen. Multipelsmältningen gör att atomerna kan ordna om sig själva och bilda kristaller – och det är slutet på metalliskt glas.

Röntgenmetoder och deras extraordinära mångfald

Vid Empas Center for X-ray Analytics har Antonia Neels team redan analyserat flera sådana prover från 3D-utskriftsexperiment. Samtidigt väcker resultaten alltid nya frågor. "Vissa bevis tyder på att de mekaniska egenskaperna hos glasen inte försämras, utan tvärtom faktiskt förbättras, om provet innehåller små kristallina fraktioner", säger Neels. "Nu undersöker vi frågan om hur stor denna kristallfraktion i glaset behöver vara, och vilken typ av kristaller som behöver bildas för att till exempel öka glasets böjlighet eller slaghållfasthet vid rumstemperatur."

För att spåra kristalltillväxt i en annars amorf miljö använder Empa-experter en mängd olika röntgenmetoder. "Med strålning av olika våglängder kan vi lära oss om strukturen hos de kristallina delarna, men också bestämma närliggande fenomen hos atomerna i provet - med andra ord bestämma egenskaperna hos de kemiska bindningarna," förklarar Neels. Dessutom avslöjar röntgenanalys, känd som mikro-CT, detaljer om densitetsfluktuationer i provet. Detta indikerar fassegregering och kristallbildning. Emellertid är densitetsskillnaderna mellan de glasartade och kristallina områdena extremt små. Det behövs därför detaljerad bildbehandling för att visualisera den tredimensionella fördelningen av de kristallina delarna.

Parabolflyg i Airbus

Men materialprover från enbart 3D-laserskrivaren kan inte helt lösa pusslet med metallglasögon. "Vi behöver veta vid vilka temperaturer dessa kristaller bildas och hur de växer - för att kunna använda dem för att definiera stabila tillverkningsprocesser", förklarar röntgenspecialist Neels. Viktig information tillhandahålls av smältans termofysiska parametrar, såsom viskositet och ytspänning. Experiment på ISS erbjuder idealiska förutsättningar för dessa analyser. Preliminära experiment äger rum i parabolflygningar.

Redan 2019 har de första dropparna av metalliskt glas flytit på experimentbasis. En speciellt ombyggd Airbus A310 från företaget Novespace flög en nollgravitationsflygning med ett materialprov. Ombord fanns forskare från Ulm och en liten, metallisk glasdroppe från företaget PX Group i La Chaux-de-Fonds. Det metalliska glaset som forskargruppen studerar består av palladium, koppar, nickel och fosfor. I experimentet kallat TEMPUS (degelfri elektromagnetisk bearbetning under noll gravity) hölls glasdroppen i suspension med hjälp av ett magnetfält och värmdes upp till 1500 grader Celsius genom induktion. Under avkylningsfasen fick två korta pulser av induktionsström den glödande droppen att oscillera. En kamera spelade in experimentet. Efter landning analyserades materialprovet på Empas Centrum för röntgenanalys.

Varför ISS ger fler resultat

Analysen av videon från den paraboliska flygningen gör det möjligt att dra slutsatser om droppens viskositet och ytspänning - viktiga data för att bättre kontrollera produktionen av metallglas med specifika egenskaper. Men tiden för mikrogravitation under flygningen varar bara 20 sekunder - för lite för en detaljerad analys. Det kan bara göras på ISS.

Så nu har ett prov av samma material registrerats för en flygning i den europeiska COLUMBUS-modulen på ISS. Den elektromagnetiska levitationsugnen ISS-EML har installerats där sedan 2014. I varje fall flyger 18 materialprover med, utbyts automatiskt och kan observeras av forskare på jorden via videoström. Metallglaset från Schweiz kommer att gå ut i rymden med nästa sats prover.

Nya gjutningsprocesser

Forskarna planerar att generera en datorsimulering av smältan från mycket mer detaljerade data som erhållits under rymdfärden. Detta kommer att samla alla svaren i en enda modell genom en kombination av experiment på jorden och i rymden:Vid vilken temperatur finns det vilken viskositet och ytspänning? När bildas kristaller av vilken sammansättning, storlek och orientering? Hur påverkar denna inre materialstruktur egenskaperna hos det metalliska glaset? Utifrån alla dessa parametrar vill forskarna utveckla en tillverkningsmetod tillsammans med industripartnern PX Group, för att kunna producera det eftertraktade materialet i en definierad form. Så det finns fortfarande mycket för materialforskarna att göra under de närmaste åren. + Utforska vidare

Snabbare och mer exakt sätt att hitta metallglasögon