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Für ihre grundlegenden Untersuchungen haben die
Forscher des Max-Planck-Instituts für Metallforschung und der
Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle mit Cu3Au eine Legierung
ausgewählt, deren zwei Komponenten ein stark unterschiedliches
Korrosionsverhalten aufweisen. Während Kupfer schon bei kleinen
Korrosionspotenzialen, also einer elektrischen Spannung, die man
zwischen der Probe und einer Referenzelektrode durch den Elektrolyten
anlegt, in eine schwelfelsäurehaltige Lösung übergeht, ist Gold
weitaus widerstandsfähiger.
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Abb1.: Strukturmodell
einer korrosionsinduzierten, goldreichen, drei Atomlagen dicken
Passivierungsschicht auf Cu3Au, die das Material zunächst vor
weiterem Auslösen von Kupfer-Atomen schützt. Die Goldatome sind
als gelbe und die Kupferatome als rote Kugeln dargestellt.
Korrosion ist ein alltäglicher Prozess, der auch nicht vor der
Minerva, der Ikone der Max-Planck-Gesellschaft, halt macht.
Bild:
Max-Planck-Institut für Metallforschung |
Mit Hilfe der brillianten Synchrotronstrahlung haben
die Forscher nun das Einsetzen der Korrosion bei der Legierung Cu3Au
in hoher Auflösung und zerstörungsfrei untersucht. Dabei gelang es
ihnen erstmalig, die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Elektrolyten
und dem Legierungskristall mit einer Auflösung im Picometer-Bereich
(10-12 Meter, 1 Nanometer = 1.000 Picometer) direkt während des
Korrosionsprozesses zu analysieren.
Wird nur wenig Kupfer aus dieser Grenzfläche
herausgelöst, verändert sich diese und es bildet sich eine
einkristalline, nur drei atomare Lagen dicke, goldreiche
Passivierungsschicht, die die Oberfläche des Materials zunächst vor
weiterer Korrosion schützt (s. Abb. 1). Dabei übernimmt diese
Passivierungsschicht interessanterweise die Kristallstruktur des
Substrats nicht eins zu eins. Vielmehr wirkt die Grenzfläche des
Materials zum Elektrolyten wie ein Spiegel, der bewirkt, dass der Film
mit der Zwillingsstruktur des Substrats aufwächst.
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Abb2.:
Aufnahme der
Cu3Au-Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop nach Auflösung der
CuAu-Passivierungsschicht. Auf dem Bild lassen sich 10 bis 20
Nanometer große Goldinseln erkennen.
Bild:
Max-Planck-Institut für Metallforschung |
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Erhöht man nun das Korrosionspotenzial weiter durch
Änderung der elektrischen Spannung zwischen Probe und
Referenzelektrode, so wird auch das restliche Kupfer aus der zunächst
schützenden Passierungsschicht herausgelöst und die verbleibenden
Goldatome bilden etwa zwei Nanometer hohe Goldinseln, die die
Oberfläche nicht mehr komplett bedecken (s. Abb. 2). Dieser Vorgang,
auch Entnetzung genannt, ist bereits aus der Natur bekannt, wenn sich
etwa Regentropfen auf einem Blatt zusammenziehen. Die Korrosion
schreitet nun über die direkt mit dem Elektrolyten in Kontakt
stehenden Cu3Au-Flächen fort und es bildet sich eine löchrige,
schaumartige Struktur mit Korrosionsporen.
Aus diesen Forschungsergebnissen können
Materialwissenschaftler lernen, dass man eine optimale
Oberflächenpassivierung von Legierungen erhält, wenn man das
Korrosionspotential über der Oberfläche gezielt so einstellt, dass
sich eine Passivierungsschicht bildet. Darüber hinaus ist die
kontrollierte Korrosion bei höheren Potentialen eine elegante Methode,
mit der man Materialoberflächen chemisch im Nanometer-Bereich
strukturieren kann. Schreitet die Korrosion immer weiter voran, bildet
sich schließlich ein nanoporöser Goldfilm, der auf Grund seiner sehr
großen Oberfläche etwa als Katalysatormaterial genutzt werden kann.
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