Glasbildung durch amorphe Ordnung

  • 14. June 2016

Thermodynamischer Phasenübergang wandelt Flüssig­keit in festes Glas.

Obwohl Gläser zu den ältesten vom Menschen genutzten Materialien gehören, sind die mole­ku­laren Vorgänge beim Übergang von der Flüssig­keit in das feste Glas noch weit­gehend unver­standen. Wie ein Forscher­team um Alois Loidl und Peter Lunken­heimer von der Uni Augs­burg jetzt zeigt, ist Glas nicht einfach eine Flüssig­keit, die bei Abkühlung immer zäher wird. Glas entsteht viel­mehr durch einen thermo­dyna­mischen Phasen­über­gang: Das Abkühlen der Glas­schmelze geht einher mit einer zunehmend koope­ra­tiven Bewegung, was schließlich zur amorphen Ordnung und damit zur Erstarrung führt.

Glasbildung

Abb.: Glasbildung auf molekularer Ebene. Die Tempe­ratur- und Frequenz­ab­hängig­keit der diele­ktrischen Suszep­ti­bilität fünfter Ordnung, die die Reaktion des Materials gemessen bei der fünften Ober­welle des ange­legten Wechsel­feldes charak­te­risiert (Graph im Vorder­grund), offen­bart eine Vergrö­ßerung von Regionen sich gemein­sam bewe­gender Mole­küle beim Über­gang von der Flüssig­keit (rechter Kreis) in das feste Glas (linker Kreis). Diese Regionen sind bei hohen Tempe­raturen in der viskosen Flüssig­keit klein, im festen Glas sind sie groß. (Bild: U. Augsburg)

In den meisten Fällen werden Gläser durch einfaches Abkühlen aus der Schmelze her­ge­stellt. Im Gegen­satz zu anderen Flüssig­keiten erstarren Glas­schmelzen aber nicht schlag­artig, was typisch für einen Phasen­über­gang wäre, sondern kontinu­ierlich. Konven­tionelle Phasen­über­gänge vom flüssigen in den festen Zustand sind theo­retisch gut verstanden und erklärt, ganz im Gegen­satz zum Glas­über­gang. Auf­grund der Besonder­heit der Glas­bildung betrachten einige theore­tische Physiker diesen Über­gang als ein von Phasen­über­gängen grund­sätzlich zu unter­scheidendes, rein dyna­misches Phänomen, bei dem die Molekül­bewegung bei tiefen Tempe­raturen kontinu­ierlich zum Erliegen kommt. Glas erscheint in dieser Theorie also einfach als Flüssig­keit mit extrem hoher Visko­sität. Eine andere theore­tische Sicht­weise erklärt den Glas­über­gang jedoch auf Basis eines, wenn auch unkon­ven­tio­nellen, Phasen­über­gangs, der letzt­lich zu amorpher Ordnung führt, wobei die Moleküle in zwar unge­ordneten, aber wohl­defi­nierten Positionen ein­frieren.

Der instantane Übergang von einer Flüssigkeit in einen kristal­linen Fest­körper geht einher mit einer für einen Phasen­über­gang typischen Zunahme der Koope­ra­ti­vität der wechsel­wirkenden Atome oder Moleküle. Durch hoch­präzise Experi­mente bei Spannungen bis zu einigen tausend Volt an unter­schied­lichen glas­bildenden Flüssig­keiten ist es dem Forscher­team gelungen, eine solche phasen­über­gangs­typische Veränderung der Koope­ra­tivität der wechsel­wirkenden Moleküle auch bei der Glas­bildung nach­zu­weisen. „Unser experi­menteller Befund favo­ri­siert also deut­lich theore­tische Modelle, die den Glas­über­gang als Phasen­über­gang beschreiben“, so Loidl.

Bei thermodynamischen Phasenübergängen erwartet man theo­retisch fraktale Dimen­sionen der koope­ra­tiven Molekül­regionen. Über­raschender­weise fanden die Wissen­schaftler nun aller­dings, dass sich am Glas­über­gang drei­dimensionale, also nicht-fraktale Molekül­regionen aus­bilden. Das bestätigt Vorher­sagen der an diesem Projekt beteiligten theore­tischen Physiker Biroli und Bouchaud über die unkon­ven­tionelle Natur des der Glas­erstarrung zugrunde­liegenden Phasen­über­gangs. „Wir haben ein Phänomen, das seit Jahr­tausenden auf empi­rischer Basis genutzt wird, aber bisher nicht wirklich verstanden war, nun auf mikro­skopischer Ebene ent­schlüsselt“, sagt Lunken­heimer. Der Forscher ist sich sicher, dass dies entscheidend zu einem tieferen Verständnis von so unter­schied­lichen Materialien wie Silikat­gläsern, Polymeren, metallischen Gläsern und sogar von diversen Arten bio­logischer Materie beitragen werde.

UA / RK

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