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Wie Tennisbälle in der Kiste

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Metallische Gläser: Was Leibniz-Preisträger Jürgen Eckert mit Atomen anstellt. (Leibniz Journal 2009)

In einer Schachtel im Büro hat Jürgen Eckert zwei metallische Gegenstände aufbewahrt: ein Zahnrad von ein paar Zentimetern Durchmesser und einen makellos glänzenden silbrigen Klecks, einen halben Zentimeter dick und so groß wie ein flacher Kieselstein. Die beiden Objekte sind das Ergebnis jahrelanger Spitzenforschung. Die Besonderheit liegt im Material. Das Zahnrad und der Klecks bestehen aus metallischem Glas. Nicht ein Kratzer trübt ihre Oberfläche. Metallisches Glas ist viel härter als herkömmliche Metalle und Legierungen – härter als Titan – und manche glasartigen Legierungen sind besonders korrosionsbeständig.

Jürgen Eckert ist Materialforscher. Seit 2006 leitet der gebürtige Franke das Institut für Komplexe Materialien in Dresden, das zum Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) gehört. Gleichzeitig hat er einen Lehrstuhl an der TU Dresden. Eckert entwickelt neuartige amorphe anorganische Werkstoffe, metallische Gläser sind sein Spezialgebiet. Physikalisch gesehen sind das Legierungen mit einer besonderen atomaren Struktur, die auf natürlichem Wege nicht zustande kommt. „Wir müssen die Natur ein wenig überlisten, um sie herzustellen“, sagt Eckert. Dieses Jahr wird er für seine Überlistungsversuche mit dem Leibniz-Preis ausgezeichnet. Eckert hat seit Mitte der achtziger Jahre erforscht, welche Materialkombinationen und Herstellungsverfahren die Eigenschaften beeinflussen, die metallische Gläser und feinkristalline Legierungen so interessant machen: ihre Härte, ihre mechanischen und magnetischen Eigenschaften, ihre Korrosionsbeständigkeit.

Im Prinzip besteht die Arbeit Eckerts und seiner Mitarbeiter darin, Kombinationen verschiedener Elemente zu schmelzen, zu vermischen und dann möglichst geschickt abzukühlen. Eckert greift zu einem Blatt Papier und zeichnet kleine Kreise in drei verschiedenen Formationen. „Herkömmliche Metalle sind kristallin, ihre Atome sind periodisch geordnet und langreichweitig verknüpft“, sagt er und zieht gerade Linien zwischen den Kreisen. „Metallische Gläser hingegen sind amorph. Die Anordnung ihrer Atome ist regellos, wie wenn Sie Tennisbälle in eine Schachtel werfen. Hier fehlen die festen Zuordnungen.“ Eine dritte Struktur liegt zwischen den beiden – quasikristalline Verbindungen, bei denen sich die Atome meist zu Fünfergruppen zusammenfinden. Sie sind nicht so ungeordnet wie die amorphen Verbindungen, bilden jedoch auch kein Gitter. Im Labor lassen sich die regellose und die quasikristalline Struktur durch schnelles Abkühlen der Metallschmelze buchstäblich einfrieren, bevor sich die Atome überhaupt zu Kristallen zusammenfinden können. „Glas“ bedeutet in diesem Fall nicht mehr als eine bestimmte Atomanordnung. Transparent wie Fensterglas sind metallische Gläser nicht.

Als Dirketor des Instituts steht Eckert selbst kaum noch im Labor. Er hat es gegen einen langen Schreibtisch getauscht, auf dem Zeitschriften, Fachartikel und Papierkram ausgebreitet sind. Auch als Forschungsleiter treibt ihn die Neugier, etwas zu schaffen, das vor ihm noch keiner geschafft hat. 112 Beschäftigte zählt sein international besetztes Institut, Gastwissenschaftler und nicht-wissenschaftliches Personal mitgerechnet. Seine Leute sucht er sich so aus, dass die Mischung am Institut stimmt, eine Mischung aus wissenschaftlicher Neugier, Hartnäckigkeit und der Bereitschaft, sich auch einmal ölige Finger zu holen. Wenn man Eckert dabei zuhört, wie begeistert er von seinem Forschungsgebiet und seinen Mitarbeitern spricht, ahnt man, dass er selbst die Mischung verkörpert.

Ludwig Schultz ist wissenschaftlicher Direktor des IFW. Schultz kennt Eckert, seit dieser 1986 eine Doktorandenstelle in Schultz' damaliger Abteilung bei Siemens in Erlangen antrat. „Er scharte eine ganze Reihe Werkstudenten um sich, die er serienweise mit Messungen und dem Präparieren von Experimenten beschäftigte“, sagt Schultz. „Bis heute hat Eckert einen sehr persönlichen Zugang zu seinen Mitarbeitern. Er verlangt viel, und er unterstützt seine Leute.“ Einen Großteil des Preisgeldes von 1,25 Millionen Euro will Eckert in Köpfe investieren. Mit den Mitteln sollen vor allem Nachwuchskräfte an das Institut gebunden werden und die Freiheiten erhalten, die Eckert selbst zu Beginn seiner Karriere erfahren hat.

Nach der Promotion ging Eckert für zweieinhalb Jahre an das California Institute of Technology in Pasadena, danach arbeitete er in einem deutschen Industrieunternehmen. Lange hielt er es dort nicht aus: „Der Geschäftsführer erklärte mir einmal, ich könne nicht ständig die Regelarbeitszeit überschreiten.“ 1993 holte ihn Ludwig Schultz an das IFW nach Dresden. 2003 wurde Eckert auf eine Professur nach Darmstadt berufen, kehrte 2006 jedoch als Direktor zurück ans IFW. Schultz erinnert sich, dass Eckert bei beiden Umzügen von einer ganzen Reihe Mitarbeiter begleitet wurde. „Das macht in einem Berufungsverfahren einen unglaublich guten Eindruck,“ sagt Schultz.

In seiner Zeit als Leiter hat Eckert das Institut für Komplexe Materialien stärker auf die praktische Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse ausgerichtet. Die Labors leisten Grundlagenforschung, doch sie arbeiten auch regelmäßig mit der Industrie zusammen an der Entwicklung von Legierungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Manche amorphe Legierungen werden seit 20 Jahren in Massenartikeln verarbeitet. Allerdings gilt das bislang nur für dünne Bändchen, die beispielsweise als Diebstahlsicherungen in Warenhäusern eingesetzt werden. Massive, dickere Exemplare metallischer Gläser wie der Klecks in Eckerts Schachtel sind Forschern in Pasadena erstmals Mitte der neunziger Jahre gelungen. Bis heute sind dies teure Werkstoffe, nur wenige Unternehmen sind in der Lage, sie herzustellen. Doch Eckert weiß, welches Potenzial in metallischen Gläsern steckt. Aus ihnen könnten besonders harte und verschleißarme Werkzeuge hergestellt werden, feinmechanische Teile, Leichtbauteile für Maschinen und Fahrzeuge oder antiallergene Implantate. Die magnetischen Eigenschaften metallischer Gläser eignen sich für den Bau von Sensoren oder Schaltern. Eckert hofft, dass sich die Schmelzverfahren in den nächsten Jahren so weit verfeinern lassen, dass man metallische Bauteile im Spritzguss verarbeiten kann – so einfach wie Kunststoff.

Dem Materialforscher ist wichtig, dass die Herstellung der metallischen Gläser nicht nur unter Laborbedingungen gelingt, sondern auch im industriellen Alltag. Eckert öffnet die Tür zu einem Laborraum und deutet auf einen kühlschrankgroßen Apparat. Das Gerät besteht aus einem Motor und einem pfeifenkopfgroßen Schmelztiegel, der auf einer Welle gelagert ist. Es ist mit Absicht einfach gebaut. „Eine solche Schleudergussanlage finden Sie in ähnlicher Form in der Zahntechnik,“ sagt Eckert. „Wir haben sie fast so gekauft, wie sie hier steht und dann ein wenig modifiziert, um die Reinheit und die Kühlraten zu verbessern.“ Je näher die Geräte an der Serienfertigung sind, desto einfacher ist es für ein Unternehmen, die am IFW entwickelten Herstellungsverfahren nachzubilden. Es war nicht zuletzt dieser Anwendungsbezug, der ihn zum Träger des Leibniz-Preises gemacht hat.

Martin Kaluza

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