Skip to main content
main-content

11.04.2013 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Im Röntgenlicht enthüllt sich die Doppelstruktur in Glas

Autor:
Dieter Beste
2:30 Min. Lesedauer

Glas wussten schon die alten Ägypter zu nutzen – vermutlich haben wir Menschen vor mehr als 5000 Jahren damit begonnen, Glas zu produzieren. Ein faszinierender Werkstoff, den über die Jahrtausende hinweg Mythen und Legenden begleitet haben, und der immer noch erforscht werden will. Im Licht von Röntgenstrahlung besonders hoher Brillanz konnten Forscher jetzt den Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Materialstruktur enthüllen.

Trotz seiner langen Tradition und weiten Verbreitung birgt der Werkstoff Glas immer noch viele Geheimnisse. Recht wenig ist zum Beispiel über das Zusammenspiel von mechanischen Eigenschaften und innerer Struktur bekannt. Nach der klassischen Definition ist der Glaszustand als ein eingefrorener Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit aufzufassen. Er wird von solchen Stoffen erreicht, die beim Erstarren der Schmelze nicht kristallisieren.

Die Eigenschaften von Gläsern unterscheiden sich wesentlich von denen der Kristalle und lassen sich zum großen Teil aus ihrer weitgehend ungeordneten Struktur ableiten. Eine Folge dieser statistischen Verteilung der Baugruppen im Glas ist das isotrope Verhalten. So sind die Eigenschaften der Gläser richtungsunabhängig, während beim Kristall viele Eigenschaften richtungsabhängig sind.

Im Licht der Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle „PETRA III“ am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, der weltweit leistungsstärksten Lichtquelle ihrer Art, entdeckten jetzt Forscher der Universität Amsterdam und des DESY, einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft, eine Doppelstruktur im Glas, die mit dem Fließverhalten des Werkstoffs eng verknüpft ist: An einem Glas aus Siliziumkügelchen beobachten sie winzige Strukturänderungen, die von einer Scherspannung verursacht werden. Strukturunterschiede von nur drei Prozent gehen demnach mit einer Veränderung der Viskosität um den Faktor 10 000 einher, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Scientific Reports“ berichten.

Modell für komplexere Systeme

Die Forscher untersuchten insbesondere das Phänomen der sogenannten Scherbänder. Diese Scherbänder entstehen, wenn ein Werkstoff, in diesem Fall Glas, einer Scherkraft ausgesetzt wird, sodass sich seine horizontalen Schichten gegeneinander bewegen. Für ihre Studie stellten die Forscher ein Glas aus winzigen Siliziumdioxid-Kügelchen her, die nur einen 50-millionstel Millimeter Durchmesser haben und als Suspension mit Wasser gemischt werden. Ähnlich wie Fettpartikel in Milch verteilen sich die Kügelchen gleichmäßig durchs Wasser und bilden ein Kolloid. Wenn die Kügelchen mehr als 58 Prozent des Gesamtvolumens einnehmen, friert die Bewegung dieser Dispersion ein, und das Kolloid geht in die Glasphase über. „Unsere Siliziumdioxid-Perlen haben alle in etwa denselben Durchmesser, so lässt sich das Glas mathematisch relativ einfach beschreiben“, erläutert Dmitry Denisov, Erstautor der Studie aus der Gruppe von Peter Schall an der Universität Amsterdam: „Daher ist unser System ein guter Ausgangspunkt, um komplexere Systeme mit einem Flüssig-Glas-Übergang zu modellieren.“

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2012 | OriginalPaper | Buchkapitel

Anorganische nichtmetallische Werkstoffe

Quelle:
Werkstoffkunde

Premium Partner

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

    Bildnachweise