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22.06.2016 | Keramik + Glas | Schwerpunkt | Online-Artikel

Wie entsteht Glas?

verfasst von: Dieter Beste

3:30 Min. Lesedauer

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Eine Schmelze kann zu einem kristallinen oder zu einem amorphen Feststoff, einem Glas erstarren. Dann nehmen die Atome keine regelmäßige Gitterstruktur ein, sondern verharren in dem ungeordneten Zustand einer Flüssigkeit. Aber warum?

Physikern an der Universität Mainz ist es gelungen, ein weiteres Puzzleteilchen des Rätsels Glasbildung zu lüften. Mit einem experimentellen Aufbau haben sie zeigen können, dass in einer Schmelze kleine verdichtete Bereiche bestehen, die zum Ausgangspunkt der Glasbildung werden. In diesen verdichteten Regionen, so ihre Beobachtung, ist die Beweglichkeit der Teilchen stark eingeschränkt und es findet eine Art Klumpenbildung statt. Je zahlreicher diese verklumpten Regionen auftreten, desto langsamer wird ihre innere Dynamik. Ab einem bestimmten Punkt ist schließlich keine Kristallbildung mehr möglich, sondern die Schmelze erstarrt zu einer Glasstruktur, wie die Gruppe um Thomas Palberg in "Nature Physics" beschreiben.

Seit den 1990er Jahren sei bekannt, so die Mainzer Wissenschaftler, dass Schmelzen einerseits Bereiche unterschiedlicher Dichte aufweisen, andererseits aber auch Bereiche, die sich in der Beweglichkeit der Atome unterscheiden, sogenannte strukturelle bzw. dynamische Inhomogenitäten. In der theoretischen Physik wird seither kontrovers diskutiert, welche Rolle den beiden Bereichen bei der Verfestigung jeweils zukommt.

Grundsätzlich erhält man Glasbildung immer dann, wenn die Abkühlgeschwindigkeit größer ist als die maximale Keimbildungsgeschwindigkeit der Kristallisation." (Günter Gottstein, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Seite 404)

Um die ablaufenden Prozesse zu verstehen, hat Sebastian Golde im Arbeitskreis von Palberg Modellsysteme aus Hartkugeln mit einem optischen Experiment untersucht. Dazu hat er Hartkugelschmelzen verwendet und sie über die Streuung von Laserlicht analysiert. "Wir konnten zeigen, dass die Regionen mit dichter gepackten Kugeln und einer etwas größeren Ordnung mit den Regionen übereinstimmen, in denen sich die Hartkugeln deutlich langsamer bewegen", berichtet Golde. So beobachteten die Wissenschaftler, dass bei zunehmender Packungsdichte – gemessen als Volumenanteil der Hartkugeln am Gesamtvolumen der Schmelze – mehr und mehr kleine verdichtete Bereiche mit langsamen Kugeln entstehen. Bei niedriger Konzentration dieser Bereiche wachsen Kristallstrukturen, steigt die Konzentration, verkeilen die Bereiche und das System erstarrt als Glas.

"Gläser entstehen also, wenn zu große Mengen an Kristallisationsvorstufen gebildet werden, sodass sie sich gegenseitig blockieren", kommentiert Thomas Palberg . "Damit ist das Puzzleteilchen gefunden. Das Verklumpungsbild gehört zur Beschreibung des Glasübergangs eindeutig dazu." Als Grenze für die Kristallbildung haben die Mainzer Physiker eine Packungsdichte von 59 Prozent ermittelt – ist der Anteil der Hartkugeln größer, wird aus der Schmelze ein Glas.

Glasbildung – ein unkonventioneller Phasenübergang

Unterdessen äußern sich auch Forscher der Universitäten Augsburg und Paris in einem soeben erschienenen Beitrag in "Science" zur wahren Natur des Übergangs von der Flüssigkeit in das feste Glas zu Wort. Sie bestätigen die Theorie, wonach es sich um einen – wenngleich unkonventionellen – Phasenübergang handelt. Demnach ist Glas ist nicht einfach eine "eingefrorene" Flüssigkeit, die bei Abkühlung immer zäher wird, Glas entstehe vielmehr durch einen thermodynamischen Phasenübergang, was bedeutet: Das Abkühlen der Glasschmelze geht mit einer zunehmend gemeinsamen ("kooperativen") Bewegung einher, was schließlich zu sogenannter amorpher Ordnung und damit zur Erstarrung führe. Den Nachweis dieses Molekülverhaltens konnte die Wissenschaftlergruppe erbringen, indem es ihr gelang, die Reaktion glasbildender Flüssigkeiten auf ultrastarke elektrische Wechselfelder mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen.

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Der instantane, also schlagartige Übergang von einer Flüssigkeit in den kristallinen Festkörper geht in der Regel einher mit einer für einen Phasenübergang typischen Zunahme der Kooperativität der wechselwirkenden Atome oder Moleküle. Durch Experimente bei Spannungen bis zu einigen 1000 Volt an unterschiedlichen glasbildenden Flüssigkeiten ist es den Physikern aus Augsburg und Paris gelungen, eine solche phasenübergangstypische Veränderung der Kooperativität der wechselwirkenden Moleküle auch bei der Glasbildung nachzuweisen. In diesen Experimenten wurde die fünfte Oberwelle eines angelegten Wechselfeldes bei der glasigen Erstarrung detektiert, und daraus ließ sich die wachsende Zahl sich kooperativ bewegender Moleküle bestimmen. "Wir haben ein Phänomen, das seit Jahrtausenden auf empirischer Basis genutzt wird, aber bisher nicht wirklich verstanden war, nun auf mikroskopischer Ebene entschlüsselt", resümiert Peter Lunkenheimer von der Universität Augsburg und ist sich sicher, dass dies entscheidend zu einem tieferen Verständnis von so unterschiedlichen Materialien wie Silikatgläsern, Polymeren, metallischen Gläsern und auch von diversen Arten biologischer Materie beitragen werde.


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