Hoher Druck ordnet Glasmoleküle zum Kristall

Unter Extremdruck finden Moleküle zu einer stabilen Gitterordnung

Washington DC (USA)/Hangzhou (China) - Auf der Suche nach dem "perfekten Glas" sind Forscher in China und den USA einen großen Schritt voran gekommen. Sie setzten ein metallisches Glas, dessen Moleküle nur ungeordnet nebeneinander liegen, unter extrem hohen Druck. Dadurch bildeten diese - wie Metalle oder Diamanten - ein geordnetes Kristallgitter, das auch unter wieder normalem Umgebungsdruck stabil blieb. Der neue Werkstoff kombiniert die Vorteile von Metallen und Glas, berichten die Geophysiker im Fachblatt "Science".

Normalerweise besteht Glas aus einem wirren - amorphen - Haufen von Molekülen. Diese verrutschen nicht nur beim Schmelzen gegeneinander, sondern über einen langen Zeitraum hinweg selbst bei Raumtemperatur. Sogenannte metallische Gläser sind Legierungen, die aussehen wie Metalle, allerdings mit einer ebenso amorphen Innenstruktur wie transparentes Glas. Sie sind aber weniger brüchig und belastbarer als die meisten Metalle. Das neue, hochgeordnete Material bietet nun wegen seiner berechenbaren Gitterstruktur sogar weitere Vorteile und dürfte sich für ein breites Einsatzspektrum eignen: von der Elektronik und Medizintechnik über Luft- und Raumfahrt bis zu Alltags- und Sportgeräten.

"Diese aufregenden Ergebnisse zeigen, dass unter Druck gesetztes Cerium-Aluminium-Glas ein günstiges System für das lange gesuchte perfekte Glas sein könnte", sagt Ho-Kwang Mao von der Zhejiang University im chinesischen Hangzhou und der Carnegie Institution in Washington DC. Maos Team hatte mit einer drei-zu-eins-Mischung aus den Elementen Cerium und Aluminium (Ce75Al25) experimentiert. Wie die Voranalyse zeigte, sind deren Moleküle tatsächlich amorph und isotrop gelagert, sie weisen unter den nächsten Nachbarn - in der Nahordnung - eine relativ geordnete Struktur auf. Das Ziel für ideales Glas ist jedoch eine durch das ganze Material gehende Fernordnung wie bei Kristallen.

Die Forscher setzten ein schmales Band aus ihrem Cerium-Aluminium-Glas unter einen hydrostatischen Druck von 25 Gigapascal - dem rund 250.000-fachen des normalen Atmosphärendrucks. Mit Hilfe von Synchrotron-Röntgentechniken und molekular-dynamischen Rechensimulationen konnten sie dann die Veränderungen nachweisen. Im Normalzustand passen die großen Cerium- und die sehr viel kleineren Aluminium-Atome nicht exakt zusammen sondern nur grob nebeneinander. Unter Hochdruck aber verschiebt sich je ein Elektron des Ceriums, so dass die Atome nun doch gemeinsam ein geordnetes Gitter bilden: Ein Einkristall mit kubisch-flächenzentrierter (fcc) Struktur ist entstanden. Lässt der Druck wieder nach, so bleibt diese Verschiebung erhalten. Mao und Kollegen vermuten, dass eine solche Situation auch in anderen metallischen Gläsern auftritt.