Strukturänderungen in Glas beobachtet

Glas wird seit über tausend Jahren als Werkstoff hergestellt und genutzt, dennoch ist seine innere Struktur schwer zu untersuchen. Wissenschaftler konnten nun im Experiment zeigen, wie der mikroskopische Aufbau des Glases und seine makroskopischen, mechanischen Eigenschaften zusammenhängen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift „Scientific Reports“.

Oberfläche aus sehr dicht gepackten Kügelchen, die im oberen Teil rot, im unteren gelb und grün eingefärbt sind.
Scherbänder und Bewegung der Partikel

Gläser sind Stoffe, die auf eine bestimmte Art vom flüssigen zum nichtflüssigen Zustand übergehen. Während zum Beispiel Wasser zu einem Kristall mit hoher Ordnung gefriert, bleibt bei Gläsern auch in der festen Phase eine Struktur mit geringer Ordnung erhalten. Für ihr Experiment haben Wissenschaftler um Dimitry Desinov von der Universität Amsterdam ein Glas aus Siliziumdioxidperlen hergestellt. Die Kügelchen hatten einen Durchmesser von etwa fünfzig Nanometern und wurden gleichmäßig in Wasser verteilt. Sobald das Gemisch mehr als 58 Prozent Siliziumdioxidperlen enthielt, ging es in die feste Glasphase über. Da die verwendeten Perlen alle ähnlich groß waren, ließ sich das Glas mathematisch gut beschreiben und kann als Modell für komplexere Gläser genutzt werden.

Anschließend spannten die Forscher die Glasprobe zwischen zwei Platten ein, von denen sich nur eine drehte. So wirkte auf die obere Seite der Probe eine andere Kraft als auf die untere, die Spannung die dadurch entsteht nennt man Scherspannung. Um die Probe in diesem Zustand zu untersuchen, wurde ein spezieller Versuchsaufbau entwickelt, in dem das Glas senkrecht mit Röntgenstrahlen durchleuchtet wurde. Die in der Probe gestreute Strahlung gab den Forschern dann Auskunft über die innere Struktur. „Als wir die Scherrate in unserem Experiment veränderten, konnten wir sehen, wie der mittlere Abstand der Siliziumdioxidkügelchen in dem Glas schwankte", berichtet Bernd Struth vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, Mitglied des Forschungsteams. „Diese strukturellen Veränderungen sind niemals zuvor beobachtet worden."

Die Wissenschaftler stellten fest, dass sich bei angelegter Scherspannung der horizontale Abstand der Partikel vergrößerte, sodass sie leichter und schneller aneinander vorbei fließen konnten. Solche Beobachtungen waren bisher nicht möglich, da passende Versuchsaufbauten fehlten. Die neuen Daten könnten jetzt helfen, Veränderungen in Gläsern besser zu verstehen.

Einen ähnlichen Übergang zwischen den Zuständen zeigen auch andere Materialien, die ebenso wie Glas in Industrie und Forschung genutzt werden. Dazu gehören einige Metalllegierungen, Kunststoffe und vor allem Kolloide. Kolloide sind Stoffgemische, die aus kleinen Partikeln in einer Flüssigkeit bestehen, unter anderem Leim, Zahnpasta oder Schaum.