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Risse in Aluminiumoxid verursachen Wellen im Feld elektrischer Dipole
6. August 2012;

Nach oben abbiegender Riss im Aluminiumoxid. Eine neue Visualisierungsmethode macht Störungen im elektrischen Feld der Dipole sichtbar. Ausgehend von der Riss-Spitze breitet sich eine wellenförmige Störung aus, wie der Pfeil verdeutlicht.

Metalloxide zählen dank ihrer besonderen Eigenschaften zu den am häufigsten verwendeten Keramiken in mikroelektronischen Bauelementen. Dennoch können sie bei langfristigen Beanspruchungen reißen und unbrauchbar werden. Daher untersuchen Physiker im Sonderforschungsbereich (SFB) 716 der Universität Stuttgart in Simulationen, wie Risse in dieser Materialsorte entstehen und verlaufen. Ihr Blick richtet sich dabei auf das Verhalten jedes einzelnen Atoms in Abhängigkeit zu seinen Nachbarn und äußeren Einflüssen wie Druck oder Wärme. Eine zentrale Rolle spielen zudem die für Metalloxide typischen elektrischen Ladungen. Die Wissenschaftler konnten bereits herausfinden, dass Risse einen Einfluss auf die sich ausbildenden elektrostatischen Dipolmomente haben.

Nun wurden in Zusammenarbeit mit den Visualisierungsforschern des SFB 716 Darstellungen für die Riss-Simulationen entwickelt, um diese Einflüsse und auch eventuelle bisher verborgene Phänomene sichtbar zu machen. Dazu wurde eine zur Magnetresonanz-Bildgebung verwendete Technik auf die physikalischen Visualisierungen übertragen. Wo man also in der Medizin Nervenfaserbahnen im menschlichen Gehirn abbildet, kann man nun das Zusammenspiel tausender atomarer Dipolmomente zum Zwecke der Materialforschung präzise abbilden.

Dabei entdeckten die Physiker ein spannendes Phänomen: Bei der Ausbreitung eines Risses ergeben sich Störungen im Feld der Dipole. Diese breiten sich von der Riss-Spitze ausgehend wellenförmig aus und verändern die Orientierung der Dipole. In weiteren Simulationen soll dieses Verhalten nun im Detail analysiert werden.

Im Oktober werden die Wissenschaftler des SFB 716 diese Anwendung für moderne Visualisierung auf der IEEE VisWeek, einem der wichtigsten internationalen Foren für wissenschaftliche Visualisierung, in Seattle (USA) präsentieren und publizieren.

 

Originalpublikation (erscheint im Oktober):

  • Grottel, Sebastian; Beck, Philipp; Müller, Christoph; Reina, Guido; Roth, Johannes; Trebin, Hans-Rainer; Ertl, Thomas: Visualization of Electrostatic Dipoles in Molecular Dynamics of Metal Oxides. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings Scientific Visualization 2012) (2012).
 

Beteiligte Teilprojekte: B.1, B.2, D.3