Defektstrukturen an Reaktionsfronten unter Scherverformung

Reaktionssäume entstehen als Reaktionsprodukt an der Kontaktfläche zweier Festphasen in Reaktionsbeziehung. Sie wurden in den Erd- und Materialwissenschaften herangezogen, um Informationen über Umgebungsbedingungen und die Dauer von Metamorphosevorgängen abzuleiten. Für dieInterpretation von Mikrostrukturen, Texturenund Mineralzusammensetzungen ist jedoch die grundlegende Kenntnis der Vorgänge während der Saumbildung erforderlich. Die Studie hat zum Ziel, die effektiven Mechanismen zu identifizieren, welche die Kinetik von Saumwachstum kontrollieren. Untersuchungen werden anhand des synthetischen Systems MgO-Al2O3 durchgeführt, wobei MgO (Periklas) und Al2O3 (Korund) unter definierten experimentellen Bedingungen zu MgAl2O4 (Spinell) reagieren. Die Studie soll auf zwei Aspekte der Saumbildung fokusiert werden: A) Die Untersuchung der atomaren Strukturen an beiden Reaktionsfronten unter Anwendung hochauflösender Analysemethoden (SEM, TEM), soll Information über die lokale Defektstruktur an Reaktionsflächen liefern. Zur Untersuchung von fortschreitenden Änderungen der lokalen Defektstruktur werden Proben von initialen Reaktionsstadien mit Proben aus Langzeitexperimenten verglichen. B) Weiters soll der Einfluss von extern induzierter Verformung auf die Saumwachstumsrate und auf die mikrostrukturelle und texturelle Saumentwicklung untersucht werden. Wir planen Torsionsexperimente an Einkristallpaaren in einer Paterson-Gasdruckapparatur. Das Probenmaterial wird vom Kern zum Rand einer zunehmenden finiten Scherverformung bzw Verformungsrate ausgesetzt. Mikrostruktur- und Texturanalysen mit hoher räumlicher Auflösung (SEM-EBSD, SEM-FSD, (S)TEM) sollen Aufschluss über den Einfluss der Veformungsintensität und rate, sowie von dynamischer Rekristallisation auf den Reaktionsfortschritt, sowie die fortschreitende Entwicklung von Mikrostrukturen und Texturen geben. Analysen der Zusammensetzung der Phasen an den unmittelbaren Reaktionsfronten erlauben die Abweichung des Systems vom lokalen chemischen Gleichgewicht festzustellen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass unter statischen Bedingungen Wachstumsmechanismen und topotaktische Beziehungen die Mikrostrukturen und Texturen vonReaktionssäumen dominieren. Zusätzliche Untersuchungen unter dynamischen Reaktionsbedingungen sollen das Verständnis des Systemverhaltens unter extern angelegter Spannung vervollständigen und Information über die Wechselwirkung von Deformation und chemischen Reaktionen, sowie effektive Mechanismen der Mikrostruktur- und Texturbildung während des Saumwachstums liefern.

Die durchgeführten Forschungsarbeiten an Mechanismen der Reaktionssaumbildung sind Teil des Forschungsnetzwerks Nanoskalige Prozesse und Geomaterialeigenschaften, einer Kooperation von GFZ Potsdam (D), FU Berlin (D) und Universität Wien (A). Reaktionssäume bilden sich gewöhnlich in (Geo)Materialien wenn zwei benachbarte Minerale chemisch reagieren, und eine neue Mineralphase an ihrer Kontaktfläche entsteht. Unsere Forschung konzentrierte sich auf zwei Aspekte der Saumbildung, erstens auf atomare Mechanismen an sich bewegenden Reaktionsflächen, und zweitens auf die mikrostrukturelle und kristallographische Saumentwicklung, beziehungsweise deren Abhängigkeit von der Orientierung der Reaktionsfläche zum Reaktanden. Dazu wurden experimentelle und natürliche Spinellsäume (MgAl2O4) verwendet, wobei an experimentell hergestellten Dünnfilmproben (0-200 nm Saumdicke) initiale Saumbildungsstadien, und an experimentell hergestellten 10-60 Mikrometer dicken Spinellsäumen zwischen Einkristallen von Korund (Al2O3) und Periklas (MgO) fortgeschrittene Reaktionsstadien untersucht wurden. An einer natürlichen Gesteinsprobe eines cm-großen Korund-Einkristalls mit einem konzentrischen 120-280 Mikrometer dicken Spinellsaum am Kontakt zur umgebenden Basalt-Matrix konnten die Auswirkungen von Änderungen der Reaktionsflächenorientierung studiert werden. Untersuchungen der atomaren Defektstrukturen zeigten unterschiedliche Mechanismen des Saumwachstums an den beiden gegenüberliegenden, gleichzeitig voranschreitenden Reaktionsflächen von Spinell. An der Spinell/Periklas Kontaktfläche wurden regelmässig angeordnete Versetzungen beobachtet, welche die abweichenden Gitterebenenabstände zwischen Periklas und Spinel kompensieren. Zur Bewerkstelligung des Spinellwachstums müssen diese Versetzungen in Richtung des Saumwachstums klettern. Außerdem entstehen bei der Bildung von Leerstellen Poren entlang der Reaktionsfläche. Das Klettern der Versetzungen, und das Mitschleppen der Poren verursachen eine Verlangsamung der Reaktionsflächenbewegung gegenüber jenen Abschnitten an denen keine Fehlstellen auftreten. Dies verursacht eine Nanometer- und Mikrometer-skalige hügelartige Struktur der Reaktionsfläche. Im Gegensatz dazu zeigt der Spinell/Korund-Kontakt einen grundlegend anderen atomaren Mechanismus. Ausgehend von Stufen erfolgt die Umwandlung von Korund in Spinell über partielle Versetzungen, die in entgegengesetzten Richtungen parallel zur Reaktionsfläche gleiten. Zeitgleich ablaufende, jedoch unterschiedliche Mechanismen an den beiden Reaktionsfronten beeinflussen die Reaktionskinetik des Saumwachstums. Die natürliche Probe zeigte charakteristische mikrostrukturelle und kristallographische Unterschiede des Spinellsaumes in Abhängigkeit der Reaktionsflächenorientierung. Diese neuen Ergebnisse liefern eine wichtige Basis zur Identifikation repräsentativer Reaktionsflächen bei Untersuchungen an Reaktionssäumen.