Amorf metaal is sterk en corrosiebestendig, wat het geschikt maakt voor bijvoorbeeld kunstgewrichten en implantaten. Maar hoe dit metaal ontstaat, was tot nu toe onduidelijk, wat lastig is bij het productieproces. Amerikaanse onderzoekers ontdekten hoe amorf metaal vormt, waardoor de productie in de toekomst wellicht efficiënter kan plaatsvinden.

Wanneer een metaal vloeibaar is, bewegen de atomen wild in het rond. Als zo’n metaal afkoelt, verliezen de atomen voor een groot deel hun snelheid, tot ze op één plek blijven: het metaal wordt vast. Tijdens het afkoelen hebben de atomen twee opties. Ze kunnen een netjes georganiseerd rooster vormen, waarbij het geheel een kristalstructuur krijgt. De atomen kunnen echter ook op een slordige manier aan elkaar vast zitten; dan vormen ze amorf metaal, ook wel metallisch glas genoemd.
 

Wedstrijd

‘Het proces waarbij glas wordt gevormd en het mechanisme dat kristal produceert concurreren met elkaar’, zegt Paul Voyles, hoogleraar materiaalkunde aan de University of Wisconsin-Madison, in een persbericht. ‘De winnaar – het proces dat het snelst plaatsvindt – bepaalt het eindproduct.’

De uitkomst van deze wedstrijd is van tevoren niet makkelijk te bepalen, dus de vorming van metallisch glas is min of meer willekeurig. Om dit mechanisme beter te begrijpen, onderzocht de groep van Voyles samen met wetenschappers van Yale University wat er precies met de metaalatomen gebeurt tijdens de overgang van de vloeibare naar de vaste fase.
 

Plakkerige gebieden

Hiervoor keken ze naar de vloeibare fase van een metaal met elektron-correlatiemicroscopie. Een apparaat vuurt dan gedurende bepaalde tijd elektronen af op het materiaal en meet hun verstrooiing. Wanneer de atomen wild heen en weer bewegen, veroorzaakt dit een ander verstrooiingspatroon dan wanneer ze dit nauwelijks doen. Zo bepalen de onderzoekers het gedrag van de atomen.

Aanvankelijk dachten de wetenschappers dat de atomen gezamenlijk langzamer bewegen tot ze bijna stil zitten. Dit blijkt echter niet het geval te zijn: afhankelijk van de locatie binnen het vloeibare metaal bewegen de atomen snel of langzaam.

‘Sommige gebieden worden eerst ‘plakkerig’ en houden de atomen heel lang vast, terwijl de atomen tussen deze gebieden veel sneller bewegen’, zegt Voyles. Uiteindelijk vertragen alle atomen en worden de plakkerige delen groter, tot het geheel vast wordt.
 

Productieproces

In de toekomst leidt dit onderzoek mogelijk tot een verbeterd productieproces van metallisch glas, dat vaak wordt gebruikt voor medische materialen zoals implantaten en stents. Door te achterhalen hoe dit glas precies ontstaat, kan het productieproces wellicht efficiënter verlopen.

Momenteel zoeken de wetenschappers uit hoe de atomen georganiseerd zijn in de plakkerige en de snelle gebieden. ‘Dit is echt fundamenteel onderzoek', zegt Voyles. ‘Maar als we goed begrijpen hoe dit proces verloopt, kunnen we in de toekomst precies bepalen wanneer we metallisch glas maken, in plaats van dat we dit aan het toeval overlaten.’

Openingsbeeld: het Atomium in Brussel. Foto: Steven Rieder.