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Das Metall, das sich beim Ausdehnen zusammenzieht

Ein Nobelpreis wurde für die Entdeckung von Invar vergeben, das praktisch keine Wärmeausdehnung zeigt. Woran das liegt versteht man erst jetzt, Jahrzehnte später. An der TU Wien wird Invar am Computer simuliert.

Invar - eine Metall-Legierung, der man ihre Besonderheit auf den ersten Blick gar nicht ansieht.

Invar - eine Metall-Legierung, der man ihre Besonderheit auf den ersten Blick gar nicht ansieht.

Invar - eine Metall-Legierung, der man ihre Besonderheit auf den ersten Blick gar nicht ansieht.

Invar - eine Metall-Legierung, der man ihre Besonderheit auf den ersten Blick gar nicht ansieht.

Charles Edouard Guillaume war ein Mann der Präzision. Er stammte aus einer französischen Uhrmacherfamilie und arbeitete nach seinem Studium an der ETH Zürich im Internationalen Büro für Maße und Gewichte in Paris – der Institution, die den berühmten „Urmeter“ aufbewahrt, die Grundlage unseres metrischen Systems. Dass er mit seiner Liebe zur Genauigkeit allerdings den Physik-Nobelpreis bekam, hatte mit einem glücklichen Zufall zu tun: Er entdeckte, dass bestimmte Metalllegierungen aus Nickel und Eisen praktisch keine Wärmeausdehnung zeigen. Warum das so ist, beschäftigt die Materialwissenschaft bis heute. Prof. Peter Mohn vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien kommt diesem Phänomen, dem „Invar-Effekt“, mit Computersimulationen auf die Spur.

Wärmeausdehnung gefährdet Präzisionsmessungen
Das Phänomen der Wärmeausdehnung ist schon lange bekannt. Eisenbahnschienen können bei extremer Hitze länger werden und sich verbiegen, Stromleitungen sind im Winter straffer gespannt als im Sommer. Sogar der Anstieg des Meeresspiegels durch die Klimaerwärmung ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass sich das Meerwasser ausdehnt und bei höheren Temperaturen geringfügig mehr Platz braucht.

Charles Edouard Guillaume wusste als Uhrmachersohn ganz genau, dass dieser Effekt für Präzisionsinstrumente ein ernstes Problem sein kann. Wer will schon eine Uhr kaufen, die nur in einem bestimmten Temperaturbereich richtig tickt, weil sich bei großer Hitze irgendwelche Rädchen oder Schrauben gegeneinander verschieben?

Schuld an der Wärmeausdehnung sind die Kräfte, die zwischen den Atomen des Materials wirken. Je höher die Temperatur, umso heftiger schwingen die Atome um ihren Platz in der Metallstruktur herum. Um den Abstand zwischen zwei Atomen um eine bestimmte Distanz zu verkürzen ist allerdings ein bisschen mehr Energie nötig als um den Abstand im selben Maß zu erhöhen. Daher führen die Schwingungen der Atome eher zu einer Abstandsvergrößerung, das Material dehnt sich aus.

Invar – ein Zufallserfolg

„Dieser Effekt ist allerdings nicht bei allen Materialien gleich stark“, sagt Peter Mohn von der TU Wien. Er entwickelt mit seinem Team Computersimulationen, mit denen man die Wärmeausdehnung von Materialien auf mikroskopischer Skala verstehen kann. Dass die thermische Ausdehnung materialabhängig ist, wusste man auch schon im neunzehnten Jahrhundert: 1896 bemerkte Charles Edouard Guillaume, dass eine Legierung aus 65% Eisen und 35% Nickel in einem breiten Temperaturbereich praktisch keine Wärmeausdehnung zeigt. Die Legierung wurde daraufhin unter dem Namen „Invar“ vermarktet. Benutzt wurde sie für Präzisionsinstrumente wie etwa Seismographen.

Später fertigte man daraus auch die Lochmasken von Röhrenbildschirmen, die den Elektronenstrahl genau auf den richtigen Bildpunkt des Monitors lenken. Würde diese Lochmaske bei steigender Temperatur ihre Größe nur ein kleines bisschen ändern, würde der Elektronenstrahl des grünen Bildanteils plötzlich auf den roten oder blauen Bildpunkten landen oder umgekehrt. Das Bild wäre vollkommen falsch.

Guillaume entdeckte darüber hinaus auch noch das Material „Elinvar“, dessen elastische Eigenschaften sich mit der Temperatur praktisch nicht ändern. Lange Zeit wurde es verwendet, um Federn für mechanische Uhren herzustellen. 1920 erhielt Guillaume den Physik-Nobelpreis für seine Entdeckungen – in einer Zeit, in der man gerade erst damit begann, die Quantenphysik zu verstehen. Quantenphysikalische Erklärungen für den Invar-Effekt waren damals freilich noch in unerreichbarer Ferne.

Der Magnetismus ist schuld
Jahrzehntelang  nutzte man den Invar-Effekt, ohne zu wissen, wie er zu erklären ist. „Man erkannte, dass es sich um ein Phänomen handelt, das mit Magnetismus zu tun hat“, erklärt Peter Mohn. „Bei extremer Hitze, oberhalb der Curie-Temperatur, geht die magnetische Ordnung eines Materials verloren – und genau dort endet auch der Invar-Effekt. Also muss es ein magnetisches Phänomen geben, das unterhalb der Curie-Temperatur der gewöhnlichen Wärmeausdehnung entgegenwirkt“, erklärt Mohn.

Peter Mohn analysiert seit Jahren Materialien, die einen Invar-Effekt zeigen, mit quantenphysikalischen Computersimulationen. Nur so ist es möglich, das subtile Wechselspiel zwischen Magnetismus und Wärmeausdehnung zu erklären. Die magnetische Ordnung der Atome im Metall kann in bestimmten Fällen für eine Abstoßung zwischen den Atomen sorgen. Steigt die Temperatur, dann sinkt der Grad an magnetischer Ordnung – ein Effekt, der bei steigender Temperatur eine Abnahme des Volumens mit sich bringt. „Dieser magnetische Effekt kann sich mit der gewöhnlichen Wärmeausdehnung ausgleichen, sodass in Summe praktisch keine Größenveränderung in Abhängigkeit der Temperatur zu beobachten ist“, erklärt Mohn.

Ganz vollständig verstanden ist der Invar Effekt allerdings auch heute noch nicht. „Wir haben bei manchen Materialien heute ein sehr gutes Bild der mikroskopischen Abläufe. Aber es gibt andere Materialien, bei denen wir den Effekt noch nicht so gut verstehen“, meint Peter Mohn.
Vielleicht hält die Forschung am Invar-Effekt ja noch so manche Überraschung bereit – ähnlich der Überraschung, die Guillaume erlebte, als er ihn entdeckte. Möglicherweise ergeben sich durch ein tieferes Verständnis des Invar-Effekts sogar Einblicke in andere Effekte – und wer weiß, vielleicht wird ja eines Tages sogar noch ein weiterer Nobelpreis vergeben, bei dem der Invar-Effekt eine Rolle spielt.