Glasübergang
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Einordnung: Festkörperphysik
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Mit Glasübergang oder Glaszustand wird in der Physik, Chemie oder Werkstoffkunde ein Phänomen bezeichnet, das die Sonderstellung von Glas als amorphen Feststoff - zwischen Festkörper und Flüssigkeit - beschreibt.
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Phasenübergang von flüssig nach fest
Glas hat eine Eigenschaft, die moderne Materialforscher vor bislang ungelöste Rätsel stellt: Es ist nämlich der Glaszustand an sich. Glas ist kein Festkörper im üblichen Sinne, es verhält sich anders als Metalle oder Kristalle, denn Glas ist nur scheinbar fest. Andererseits ist Glas aber auch keine Flüssigkeit, so wie Physiker sie kennen. Feste Körper entstehen normalerweise aus Flüssigkeiten, in dem diese bei der Erstarrungstemperatur (oder Schmelztemperatur) in eine kristalline Form übergehen. So gefriert Wasser bei 0° C im allgemeinen zu Eis mit fester Kristallstruktur, deren Keimausbildung an Verunreinigungen voranschreitet. Ein solcher Phasenübergang von flüssig nach fest, der mit einer erheblichen Energieabgabe des Systems verbunden ist, wird jedoch bei Glas nicht beobachtet. Eine Glasschmelze geht, auch bei ganz langsamer Abkühlung, nicht in den kristallinen Zustand über, sondern verbleibt im flüssigen Zustand als eine Art unterkühlte Schmelze. Es wäre falsch, Glas nun als Flüssigkeit zu bezeichnen, auch wenn kein feststellbarer Übergang zum Festkörper stattgefunden hat. Die Bezeichnung „Glaszustand“ hat sich in der Physik und Chemie dafür eingebürgert.
Erklärungsansätze
Glas befindet sich also immer in einem unmerklichen Zustand des Fließens. Die Moleküle sind in einem ungeordneten Stadium zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand geblieben. Und dieser Vorgang hat etwas damit zu tun, dass die Glasschmelze schon weit oberhalb ihres Schmelzpunktes bereits eine so hohe Zähflüssigkeit – Physiker sprechen hier von Viskosität – erreicht, dass die einzelnen Moleküle kein wohlgeordnetes Kristallgitter mehr bilden können. Es entsteht eine ungeordnete, so genannte amorphe Phase. Warum Glas sich so verhält, ist bisher ungeklärt. Forscher an vorderster Front haben festgestellt, dass Glas keine einheitliche Dichte hat, sondern Molekülinseln bildet, in denen sich eine große Menge der fest aneinander gebundenen Grundbausteine aus Silizium und Sauerstoff befinden. Diese Bereiche sind nur locker aneinander gebunden und lassen sich nicht zu einem Festkörper vernetzen. Man kann sie – ähnlich wie in einer Flüssigkeit – gegeneinander verschieben. Übrigens kann auch bei Metallen und einigen Legierungen durch ein sehr schnelles Abkühlen die Kristallisation unterdrückt werden. Sie liegen dann in einer so genannten amorphen Strukturen vor und werden als metallische Gläser bezeichnet.
Das Rätsel der „fließenden“ Kirchenfenster
Übrigens ist es nicht richtig, dass alte Kirchenfenster unten dicker als oben sind, ein oft angeführter Hinweis auf den flüssigen Charakter von Glas. Wie Nachforschungen ergaben, sind die kleinen Fensterteile tatsächlich auf einer Seite dicker, was wahrscheinlich mit dem damaligen Herstellungsprozess zusammenhängt. Allerdings sind die dicken Enden sowohl oben als auch unten eingebaut, was ein nachträgliches Fließen des Materials ausschließt. Genaue Untersuchungen zeigten außerdem, dass es auch eine nicht geringe Anzahl von Butzenscheiben gibt, die an anderen Stellen dicker sind. Die ungleiche Glasverteilung ist auf ihren speziellen Herstellungsprozess zurückzuführen. Sie wurden nämlich geschleudert wie Pizzatag und dann gezogen, wodurch sich eine charakteristische Wulst an der Außenseite bildete. Kaltes Glas fließt, aber nicht in den zeitlichen Dimensionen, die bei solchen Fenstern auftreten.
Neuere Forschungen
Amerikanischen Forschern des Argonne National Laboratory (ANL) ist es gelungen, erstmals ein Glas aus dichten, rein oktaedrischen Kristallen herzustellen und seine Struktur zu analysieren – etwas, nach dem die Chemiker seit Jahrzehnten suchten. Glas gilt als schwierig zu analysieren, da es eine ungeordnete Struktur und keine periodisch angeordneten Kristalle aufweist. Unter Druck verändert es zwar seine Struktur, diese springt jedoch elastisch wieder in seinen Ausgangszustand zurück, sobald der Druck nachlässt – und ist dann auch nicht mehr beobachtbar. Röntgen- und Neutronenstrahlen wurden eingesetzt, um diesen flüchtigen Kristallzustand einzufangen. Außerdem nutzten sie ein besonderes Glas, nämlich das weichere Germanium-Glas, das strukturell dem Siliziumglas analog ist, aber sich schon bei weitaus geringeren Drucken zur Oktaederform umwandelt. Germanium zeigt zudem im Neutronen- und Röntgendiffraktometer einen stärkeren Kontrast, und die Details seiner Struktur erscheinen daher deutlicher. Als eine ein Millimeter große Glasprobe mit dem rund 60.000 bis 100.000fachen des Luftdruck komprimiert wurde, entdeckten die Forscher einen bisher unbekannte Übergangszustand, bei dem sich fünf Sauerstoffatome um das Germaniumatom formieren, unmittelbar bevor sich die Oktaeder bildeten.
Weblinks
- weitere Weblinks
- ANL Pressemitteilung: Glass gives up secrets under pressure (englisch)
- Suche nach Glasübergang Infos mit: Yahoo