Materialforschung: Mehr Durchblick bei der Glasstruktur
Weder fest noch flüssig und energetisch betrachtet eher ungünstig - so präsentieren sich Glase aus der Sicht eines Materialwissenschaftlers. Doch warum die verschiedensten Stoffe in diesem Zwischenzustand verfallen, ist noch weit gehend unverstanden, denn auf der atomaren Ebene sieht alles ganz normal aus. Anscheinend kommt es auf die Verhältnisse im mittleren Maßstab an.
Wenn es klirrt, dann ist das selten Grund zur Freude. Dabei bringen Scherben doch angeblich Glück, und an den Bruchstellen hat das Glas endlich einen vernünftigen Aggregatzustand eingenommen: Es ist lokal zu einem Festkörper kristallisiert. Denn mag das Sektglas auch schön gewesen sein – aus materialwissenschaftlicher Sicht schwebte es irgendwo im wenig definierten Bereich zwischen fest und flüssig. Was genau ein Glas ausmacht, ist nämlich noch immer nicht befriedigend geklärt.
Seine Geburt erlebt Glas, wenn eine Flüssigkeit langsam abkühlt. Waren die einzelnen Teilchen zuvor in einem ungeordneten, relativ energiereichen Zustand, so nehmen mit sinkender Temperatur immer mehr von ihnen bestimmte Positionen ein, die energetisch günstiger sind. Bei einem ordentlichen Festkörper entstehen so Kerne, an denen sich weitere Teilchen geordnet anlagern, bis schließlich ein Kristall entstanden ist.
Wie schnell sich die Kerne bilden, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Teilchen umorganisieren können, und das geht umso langsamer, je kühler die Masse inzwischen geworden ist. Da kann es durchaus passieren, dass Schluss ist mit dem Umordnen, bevor die Kerne da sind. Das System bildet eine starre, amorphe Struktur – eben ein Glas.
Erstaunlicherweise sieht ein Glas auf atomarer Ebene betrachtet ziemlich genau wie ein Festkörper aus. Der entscheidende Unterschied muss folglich in der mittleren und größeren Distanz stecken. Allerdings sind die experimentell nicht so einfach zu überprüfen.
Philip Salmon von der britischen Universität Bath und seine Kollegen haben sich dem Problem mit Neutronenstrahlung genähert. Als Material wählten sie zwei Substanzen, die aus jeweils nur zwei verschiedenen Elementen bestehen: Zinkchlorid (ZnCl2) und Germaniumselenid (GeSe2). Beide Stoffe weisen deutlich unterschiedliche Eigenschaften auf: Zinkchlorid vollzieht mit seinen weniger festen Bindungen einen kontinuierlicheren Übergang von flüssig zu gläsern als das bindungsstärkere Germaniumselenid.
Im Beschuss mit Neutronen lenken die Atome einige Neutronen von ihren Flugbahnen ab. Aus dem Streumuster lässt sich darum auf die Struktur des Körpers schließen. Salmons Team verfeinerte die Analyse noch etwas, indem es das Experiment mit verschiedenen Isotopen für die einzelnen Elemente durchführte. Auf diese Weise konnten die Forscher zwischen den verschiedenen Bindungspartnern, beispielsweise Zn-Zn, Zn-Cl und Cl-Cl, unterscheiden und die Struktur des Glases detailliert aus den Daten errechnen.
Sie stellten fest, dass Zink und Germanium sich mit großer Vorliebe mit vier Chlor- beziehungsweise Selen-Atomen umgeben, die in Form eines Tetraeders angeordnet sind. Dieses Ordnungsmotiv setzte sich über größere Entfernungen fort. Einen Grund für die makroskopisch beobachteten Unterschiede zwischen den beiden Glassorten fanden die Wissenschaftler hingegen nicht.
So gönnt das Glas uns noch immer nicht den vollen Durchblick – trotz bekannter Struktur auf kurzer und längerer Sicht. Wie gut, dass manche Dinge einfach funktionieren, auch wenn wir keine Ahnung haben, wie es geht. Aber nicht nur Glas ist zäh – Forscher sind es auch. Und so experimentieren und theoretisieren sie weiter, es bleibt also spannend.
Seine Geburt erlebt Glas, wenn eine Flüssigkeit langsam abkühlt. Waren die einzelnen Teilchen zuvor in einem ungeordneten, relativ energiereichen Zustand, so nehmen mit sinkender Temperatur immer mehr von ihnen bestimmte Positionen ein, die energetisch günstiger sind. Bei einem ordentlichen Festkörper entstehen so Kerne, an denen sich weitere Teilchen geordnet anlagern, bis schließlich ein Kristall entstanden ist.
Wie schnell sich die Kerne bilden, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Teilchen umorganisieren können, und das geht umso langsamer, je kühler die Masse inzwischen geworden ist. Da kann es durchaus passieren, dass Schluss ist mit dem Umordnen, bevor die Kerne da sind. Das System bildet eine starre, amorphe Struktur – eben ein Glas.
Erstaunlicherweise sieht ein Glas auf atomarer Ebene betrachtet ziemlich genau wie ein Festkörper aus. Der entscheidende Unterschied muss folglich in der mittleren und größeren Distanz stecken. Allerdings sind die experimentell nicht so einfach zu überprüfen.
Philip Salmon von der britischen Universität Bath und seine Kollegen haben sich dem Problem mit Neutronenstrahlung genähert. Als Material wählten sie zwei Substanzen, die aus jeweils nur zwei verschiedenen Elementen bestehen: Zinkchlorid (ZnCl2) und Germaniumselenid (GeSe2). Beide Stoffe weisen deutlich unterschiedliche Eigenschaften auf: Zinkchlorid vollzieht mit seinen weniger festen Bindungen einen kontinuierlicheren Übergang von flüssig zu gläsern als das bindungsstärkere Germaniumselenid.
Im Beschuss mit Neutronen lenken die Atome einige Neutronen von ihren Flugbahnen ab. Aus dem Streumuster lässt sich darum auf die Struktur des Körpers schließen. Salmons Team verfeinerte die Analyse noch etwas, indem es das Experiment mit verschiedenen Isotopen für die einzelnen Elemente durchführte. Auf diese Weise konnten die Forscher zwischen den verschiedenen Bindungspartnern, beispielsweise Zn-Zn, Zn-Cl und Cl-Cl, unterscheiden und die Struktur des Glases detailliert aus den Daten errechnen.
Sie stellten fest, dass Zink und Germanium sich mit großer Vorliebe mit vier Chlor- beziehungsweise Selen-Atomen umgeben, die in Form eines Tetraeders angeordnet sind. Dieses Ordnungsmotiv setzte sich über größere Entfernungen fort. Einen Grund für die makroskopisch beobachteten Unterschiede zwischen den beiden Glassorten fanden die Wissenschaftler hingegen nicht.
So gönnt das Glas uns noch immer nicht den vollen Durchblick – trotz bekannter Struktur auf kurzer und längerer Sicht. Wie gut, dass manche Dinge einfach funktionieren, auch wenn wir keine Ahnung haben, wie es geht. Aber nicht nur Glas ist zäh – Forscher sind es auch. Und so experimentieren und theoretisieren sie weiter, es bleibt also spannend.
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