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21.03.2018 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Wie Feststoffe schmelzen

Autor:
Dieter Beste

Wenn sich der Aggregatzustand eines Ausgangsmaterials durch Erhitzen von fest nach flüssig verändert, nennt man diesen Übergang gemeinhin Schmelzen. Wissenschaftler konnten jetzt aufklären, was dabei auf der Ebene der Moleküle passiert.

"In der Regel schmilzt ein Material von seiner Oberfläche aus – Eis wird so beispielsweise rutschig", sagt Lothar Wondraczek, Lehrstuhlinhaber für Glaschemie an der Universität Jena. "Doch unter bestimmten Bedingungen schmilzt ein Körper auch homogen, also im Ganzen." In den meisten bisher bekannten Fällen ist die Viskosität – also die Zähigkeit – der entstandenen Flüssigkeit am Schmelzpunkt aber sehr niedrig, sodass der eigentliche Schmelzprozess äußerst schnell abläuft und sich nur schwer beobachten lässt. 

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Einem Wissenschaftlerteam um Wondraczek ist es nun gelungen, sich den Schmelzvorgang quasi in Zeitlupe anzuschauen, wie sie in einem Fachaufsatz berichten. Dabei deckten sie auf, dass beim Übergang von fest nach flüssig grundsätzlich zwei Schritte aufeinanderfolgen: "Erhöht man die Temperatur, so erreicht das System zunächst einen energetischen Zustand, der zufällig auftauchende gestörte Bereiche zur Folge hat, allerdings ohne dass die Teilchen, aus denen das Kristallgitter besteht, bereits größere Bewegungen vornehmen. Nur wenn diese Teilchen im zweiten Schritt auch die Freiheit erlangen, sich verstärkt und stetig über größere Strecken zu bewegen, verflüssigen sich die gestörten Bereiche", erläutert Wondraczek. "In gewisser Weise muss die Flüssigkeit also erst tatsächlich flüssige Eigenschaften erlangen, bevor der Schmelzvorgang abgeschlossen ist."

Schmelzen in Zeitlupe

Die Jenaer Forscher, die der Europäische Forschungsrat im Rahmen des Projektes UTOPES unterstützt hat, studierten den Schmelzvorgang an Zeolithen. Diese besitzen in flüssiger Form eine weitaus höhere Viskosität als Wasser oder sogar als zäher Honig. In unterschiedlichen Experimenten erhitzten die Wissenschaftler die Zeolithe und beobachteten gleichzeitig, wie sich währenddessen die Materialeigenschaften veränderten. "Der Schmelzprozess läuft hierbei wesentlich langsamer ab, was uns ein Zeitfenster im Minutenbereich für unsere Beobachtungen ermöglichte", berichtet Wondraczek. 

Wir finden die Materie in einer Fülle verschiedener Erscheinungsformen, als Flüssigkeiten, Festkörper, Polymere, Magnete, Supraleiter usw. Gase, Flüssigkeiten und Festkörper bezeichnet man speziell als Aggregatzustände, alle Erscheinungsformen insgesamt aber als Phasen. Die Vielfalt derselben beruht auf den Kräften zwischen den Atomen und Molekülen, vor allem auf solchen elektromagnetischer Natur." Klaus Stierstadt, "Thermodynamik für das Bachelorstudium", Seite 237.

"Viele Wissenschaftler aus ganz unterschiedlichen Disziplinen, etwa aus den Geowissenschaften, der Chemie und der Physik, haben sich dem Thema von ganz unterschiedlichen Seiten genähert", sagt der Jenaer Materialwissenschaftler. "Wir glauben, dass wir nun auf dem Weg zu einer allgemeingültigen und übergreifenden Klärung dessen, was beim Schmelzen genau passiert, einen entscheidenden Schritt machen konnten." Mit den neuen Erkenntnissen bestehe nun die Möglichkeit, ein Material auch während des Schmelzprozesses in seiner Struktur festzuhalten und es so noch weiter modifizieren zu können.

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