mini|Typische Laborprobe eines metal­lischen Massivglases. Die Kegel- oder Keilform wird gern gewählt, wenn die maximal erreichbare Dicke noch nicht genau bekannt ist.

Amorphe Metalle oder metallische Gläser sind – im Gegensatz zu üblichen Fenster-, Brillen- oder allgemeiner gesagt Silikatgläsern, die in der Regel ein elektrisch isolierendes Verhalten zeigen – Metall- oder Metall-und-Nichtmetall-Legierungen, die auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweisen und trotzdem metallische Leitfähigkeit zeigen.Nur wenn bei extrem starker „Amorphizität“ die typischen Energien der räumlichen Potentialfluktutionen sehr viel größer wären als die involvierten charakteristischen thermischen Anregungsenergien der metallischen Gläser – was nicht der Fall ist –, nur dann wäre infolge eines speziellen quantenmechanischen Effektes, der sog. Anderson-Lokalisierung, der elektronische Zustand des Systems nicht metallisch, sondern isolierend. Die für Metalle sehr ungewöhnliche amorphe Atomanordnung hat eine einzigartige Kombination physikalischer Eigenschaften zur Folge: Metallische Gläser sind im Allgemeinen härter, korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle. Die für die meisten Metalle charakteristische Verformbarkeit fehlt jedoch gewöhnlich.

Man unterscheidet generell herkömmliche metallische Gläser, die nur als dünne Schichten oder Bänder hergestellt werden können, und die relativ neuen massiven metallischen Gläser. Letztere bilden eine der modernsten Materialklassen und sind Gegenstand intensiver Forschung in der Materialwissenschaft und Festkörperphysik. Aufgrund des noch sehr begrenzten Wissens und des hohen Preises sind sie bisher nur in Nischenanwendungen vertreten.

Aufbau und Herstellung Gläser sind feste Materialien ohne Kristallstruktur. Das heißt, die Atome bilden kein Gitter, sondern sind auf den ersten Blick regellos angeordnet: Es besteht keine Fern-, sondern allenfalls eine Nahordnung, diese Struktur bezeichnet man als amorph.

Wie alle Gläser entstehen auch amorphe Metalle, indem die natürliche Kristallisation verhindert wird. Dies kann zum Beispiel durch rasches Abkühlen („Abschrecken“) der Schmelze geschehen, so dass den Atomen die Beweglichkeit geraubt wird, bevor sie die Kristallanordnung einnehmen können. Gerade dies ist jedoch bei Metallen besonders schwierig, da es aufgrund deren spezieller Bindungsmechanismen in den meisten Fällen unrealistisch hohe Abkühlraten erfordert. Bei Metallen, die nur aus einem Element bestehen, ist es sogar unmöglich, ein metallisches Glas herzustellen, da die Beweglichkeit der Atome bis zu tiefen Temperaturen so hoch ist, dass sie immer kristallisieren. Es sind nur Legierungen aus mindestens zwei Metallen bekannt, die amorphisierbar sind (z. B. AuIn2). Häufiger bestehen amorphe Legierungen aus nur einem Metall, beispielsweise Fe, und einem sogenannten Glasbildner wie Bor oder Phosphor, etwa in der Zusammensetzung Fe4B. Technisch nutzbare amorphe Metalle sind Mehrkomponentensysteme, deren Zusammensetzung häufig nahe am eutektischen Punkt liegt, wodurch die erforderlichen Abkühlraten technisch realisierbar werden. Diese betrug für die ersten metallischen Gläser noch bis zu 106 K/s. Im Vergleich dazu benötigen beispielsweise Silicate lediglich eine Abkühlrate von etwa 0,1 K/s, um die Kristallisation zu unterbinden und den glasartigen Zustand zu erreichen. Auch hier führt eine Unterschreitung der Abkühlrate zur zunehmenden Kristallisation.

mini|Metallisches Glas entsteht als dünnes Band (C) aus einer Schmelze (A), die auf ein gekühltes, rotierendes Rad (B) gegossen wird und dabei schlagartig abkühlt. Die Wärmeleitfähigkeit setzt der schnellen Abkühlung eine physikalische Grenze: Egal wie schnell die Umgebungstemperatur gesenkt wird, die Wärme muss vom Inneren des Materials zur Außenfläche transportiert werden. Das bedeutet, dass abhängig von der erforderlichen Abkühlrate und der Wärmeleitfähigkeit nur eine bestimmte Probendicke erreicht werden kann. Eine Methode ist die rapide Abkühlung zwischen rotierenden Kupferwalzen (Schmelzschleudern). Das ist zwar einfach und preiswert, erlaubt jedoch nur die Herstellung dünner Bänder und Drähte.

Dünne amorphe Schichten und amorphe Bänder lassen sich auch durch chemische Gasphasenabscheidung oder Sputterdeposition gewinnen.

Seit Anfang der 1980er Jahre kennt man massive metallische Gläser (engl.: ), die Materialdicken von mehr als einem Millimeter (eine willkürlich gewählte Grenze) ermöglichen. Die Erwartungen an diese neue Materialklasse sind hoch, auch wenn diese Materialien bisher nur wenig verwendet werden. Sie bestehen in der Regel aus fünf oder mehr verschiedenen Elementen, wobei meist drei grundsätzlich verschiedene Atomgrößen vertreten sind. Die resultierenden Kristallstrukturen sind so komplex, dass bereits Abkühlraten von wenigen Kelvin pro Sekunde ausreichen, um die Kristallisation zu unterdrücken. Erreichbare Dicken liegen derzeit bei ein bis zwei Zentimetern, wobei nur Legierungen mit sehr teuren Bestandteilen (z. B. Zirconium, Yttrium oder Platin) 25 Millimeter erreichen. Diese Marke überbietet nur PdCuNiP, das seit 1997 einen Rekord von mehr als sieben Zentimetern hält. Da es zu einem Stoffmengenanteil von 40 Prozent aus Palladium besteht, ist der Preis allerdings sehr hoch.

Eigenschaften Metallische Gläser zeigen u. a. die typische metallische Lichtreflexion und sind für den Laien nicht von gewöhnlichen Metallen zu unterscheiden. Die Oberfläche lässt sich besonders glatt polieren und verkratzt aufgrund der großen Härte auch nicht so leicht, daher lässt sich ein besonders schöner und dauerhafter Glanz erzielen.

Metallische Gläser sind

härter als ihre kristallinen Gegenstücke und haben eine hohe Festigkeit. Geringe Verformungen (≈ 1 %) sind rein elastisch. Das heißt, die aufgenommene Energie geht nicht als Verformungsenergie verloren, sondern wird beim Zurückfedern des Materials wieder voll abgegeben. Diese Eigenschaft führt beispielsweise zur Verwendung in Golfschlägern. Die fehlende Duktilität macht sie jedoch auch spröde: Wenn das Material versagt, dann schlagartig und durch Zerbrechen, nicht durch Verbiegen wie bei einem Metall. Die Korrosionsbeständigkeit ist in der Regel höher als bei Metallen vergleichbarer chemischer Zusammensetzung. Dies liegt daran, dass Korrosion meist an Korngrenzen zwischen den Einzelkristalliten eines Metalls angreift, die es bei amorphen Materialien nicht gibt.

Es gibt magnetische und nichtmagnetische amorphe Metalle. Einige charakteristische magnetische Eigenschaften von ihnen beruhen auf der strukturbedingten Abwesenheit von lokalen Kristallfehlern.

Hierzu gehören die besten kommerziell verfügbaren weichmagnetischen Werkstoffe: Die amorphen Legierungen aus den Glasbildnern Bor, Silicium und Phosphor und den Metallen Eisen, Cobalt und/oder Nickel sind magnetisch und gewöhnlich weichmagnetisch, d. h. mit niedriger Koerzitivfeldstärke. Sie besitzen gleichzeitig einen für feste Metalle relativ hohen elektrischen Widerstand. Es liegt in derselben Größenordnung wie bei herkömmlichen geschmolzenen Metallen. Dies führt zu niedrigen elektrischen Wirbelstrom-Verlusten, was die Materialien für Transformatoren interessant macht (siehe unten).

Herkömmliche Metalle ziehen sich typischerweise beim Erstarren schlagartig zusammen. Da die Erstarrung als Glas kein Phasenübergang erster Ordnung ist, findet dieser Volumensprung hier nicht statt. Wenn die Schmelze eines metallischen Glases eine Form ausfüllt, so behält sie diese beim Erstarren. Dies ist ein Verhalten, das man zum Beispiel von Polymeren kennt und das dort große Vorteile bei der Verarbeitung, etwa beim Spritzguss, bietet. In diese Eigenschaft werden mithin die größten Hoffnungen für die zukünftige Bedeutung amorpher Metalle gesetzt.

Geschichte Die frühe Geschichte der metallischen Gläser ist eng verknüpft mit der Grundlagenforschung zum Glaszustand an sich. Bereits in den 1950er Jahren sagte der amerikanische Physiker David Turnbull im Rahmen seiner wegweisenden Arbeiten zur Unterkühlung von Schmelzen voraus, dass im Prinzip jede Flüssigkeit in den Glaszustand gekühlt werden könnte, wenn nur ihre Viskosität schnell genug mit der Temperatur abnehmen würde. Metalle mit ihren für die Glasbildung besonders ungünstigen Eigenschaften galten als Prüfstein dieser Idee.

Das erste amorphe Metall wurde um 1960 von Paul Duwez (1907–1984) am California Institute of Technology hergestellt. Er verwendete eine Legierung aus Gold und Silicium im Verhältnis 3:1, sehr nahe am eutektischen Punkt (19 % Silicium). Der Schmelzpunkt dieser Mischung liegt bei etwa 500 °C und ist damit deutlich niedriger als die der zugrundeliegenden Reinstoffe (Au: 1063 °C, Si:1412 °C). Die Legierung bleibt also auch bei relativ niedrigen Temperaturen flüssig, was die Glasbildung begünstigt. Duwez kühlte seine Proben mit mehr als einer Million Kelvin pro Sekunde ab, erreichte aber nur Materialdicken von weniger als 50 Mikrometer.

1976 entwickelten H. Liebermann und C. Graham eine Technik, bei der mittels gekühlter Walzen schnell und kostengünstig lange Bänder aus amorphen Metallen hergestellt werden konnten. Dies führte 1980 zur Kommerzialisierung der ersten metallischen Gläser unter dem Handelsnamen Metglas (z. B. Metglas 2705M: 75–85 Gew.-% Cobalt, geringe Mengen Bor, Eisen, Molybdän, Nickel und Silicium). Ein sehr erfolgreiches System zur Diebstahlsicherung in Kaufhäusern nutzt Magnetstreifen aus diesem Material.Helmut A. Schaeffer, Roland Langfeld: Werkstoff Glas. Alter Werkstoff mit großer Zukunft . Springer Vieweg. Berlin, Heidelberg. 2014. S. 183.

Aufgrund der aufwendigen Herstellung, der geringen erreichbaren Dicken und des hohen Preises waren metallische Gläser für Jahrzehnte ein zwar physikalisch interessantes, aber eher akademisches Kuriosum. Dies änderte sich Anfang der 1990er Jahre schlagartig, als die ersten massiven metallischen Gläser auf der Basis von Palladium und Zirconium entdeckt wurden. Das erste massive metallische Glas überhaupt, bestehend aus Palladium, Nickel und Phosphor wurde 1982 von Lindsay Greer und David Turnbull hergestellt. Die erste kommerzielle Legierung wurde von der Firma Liquidmetal Technologies unter den Markennamen Liquidmetal und Vitreloy1 auf den Markt gebracht. Die Legierung Vitreloy 106a besitzt beispielsweise die Zusammensetzung Zirconium 58,5 %; Kupfer 15,6 %; Nickel 12,8 %; Aluminium 10,3 %; Niob 2,8 %.