Glas: Dieses häufig vorkommende, aber komplizierte Material ist weder ein Feststoff noch eine Flüssigkeit und überrascht Wissenschaftler immer noch

Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Penn State

Doktorand in Materialwissenschaften, Penn State

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Glas ist ein Material mit vielen Gesichtern: Es ist sowohl antik als auch modern, stark und dennoch zart und kann nahezu jede Form und Farbe annehmen. Diese Eigenschaften von Glas sind der Grund dafür, dass Menschen daraus alles herstellen, von Smartphone-Bildschirmen und Glasfaserkabeln bis hin zu Fläschchen mit Impfstoffen.

Die Menschheit nutzt Glas schon seit Jahrtausenden auf die eine oder andere Art und Weise, und Forscher finden auch heute noch neue Verwendungsmöglichkeiten dafür. Nicht selten hört man die oft wiederholte Tatsache, dass Glas eigentlich eine Flüssigkeit und kein Feststoff sei. Die Realität ist jedoch viel interessanter: Glas passt in keine dieser Kategorien und ist in vielerlei Hinsicht ein ganz eigener Aggregatzustand. Als zwei Materialwissenschaftler, die sich mit Glas befassen, versuchen wir ständig, unser Verständnis dieses einzigartigen Materials zu verbessern und neue Möglichkeiten für die zukünftige Verwendung von Glas zu entdecken.

Der beste Weg, Glas zu verstehen, besteht darin, zu verstehen, wie es hergestellt wird.

Der erste Schritt zur Herstellung von Glas besteht darin, eine Mischung aus Mineralien – häufig Soda, Kalkstein und Quarzsand – zu erhitzen, bis sie bei etwa 2.700 Grad Fahrenheit (1.480 Grad Celsius) zu einer Flüssigkeit schmelzen. In diesem Zustand fließen die Mineralien frei in der Flüssigkeit und bewegen sich ungeordnet. Wenn diese Flüssigkeit schnell genug abkühlt, verfestigt sich die Mischung nicht wie die meisten Feststoffe zu einer organisierten, kristallinen Struktur, sondern unter Beibehaltung der ungeordneten Struktur. Es ist die atomar ungeordnete Struktur, die Glas ausmacht.

Auf kurzen Zeitskalen verhält sich Glas ähnlich wie ein Festkörper. Die flüssigkeitsartige Struktur von Glas führt jedoch dazu, dass Glas über einen ausreichend langen Zeitraum einen Prozess durchläuft, der Entspannung genannt wird. Entspannung ist ein kontinuierlicher, aber äußerst langsamer Prozess, bei dem sich die Atome in einem Glasstück langsam zu einer stabileren Struktur neu anordnen. Im Laufe einer Milliarde Jahre ändert ein typisches Stück Glas seine Form um weniger als 1 Nanometer – etwa 1/70.000 des Durchmessers eines menschlichen Haares. Aufgrund der langsamen Veränderungsrate ist der Mythos, dass alte Fenster unten dicker seien, weil die Schwerkraft über Jahrhunderte hinweg an dem langsam fließenden Glas zog, nicht wahr.

Umgangssprachlich bezeichnet das Wort Glas oft eine harte, spröde, transparente Substanz aus geschmolzenem Sand, Soda und Kalk. Dennoch gibt es viele Glasarten, die nicht transparent sind, und Glas kann aus jeder Kombination von Elementen hergestellt werden, solange die flüssige Mischung schnell genug abgekühlt werden kann, um eine Kristallisation zu vermeiden.

Menschen verwenden Glas seit mehr als 4.000 Jahren, wobei einige der frühesten Verwendungszwecke die Herstellung dekorativer Glasperlen und Pfeilspitzen waren. Archäologen haben auch Hinweise auf 2.000 Jahre alte Glaswerkstätten entdeckt. Eine solche alte Werkstatt wurde in der Nähe von Haifa im heutigen Israel entdeckt und stammt aus der Zeit um 350 n. Chr. Dort entdeckten Archäologen Rohglasstücke, Glasschmelzöfen, Gebrauchsglasgefäße und Bruchstücke aus der Glasbläserei.

Die moderne Glasherstellung begann im frühen 20. Jahrhundert mit der Entwicklung von Massenproduktionstechniken für Glasflaschen und Flachglasscheiben. Glas wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu einem wesentlichen Bestandteil der Elektronik- und Telekommunikationsindustrie und bildet heute das Rückgrat des Internets.

Heute nutzen Wissenschaftler Glas nicht mehr nur als Material für eine Tasse oder einen Spiegel. Auf dem neuesten Stand der Glasforschung ist die Fähigkeit, seine komplexe Atomstruktur und seinen Entspannungsprozess zu manipulieren, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen.

Da Glas atomar ungeordnet ist und sich ständig verändert, ist es wahrscheinlich, dass zwei beliebige Punkte auf einem Glasstück leicht unterschiedliche Eigenschaften haben – sei es Festigkeit, Farbe, Leitfähigkeit oder etwas anderes. Aufgrund dieser Unterschiede können sich zwei ähnliche Glasstücke, die auf die gleiche Weise und aus den gleichen Materialien hergestellt wurden, sehr unterschiedlich verhalten.

Um das Verhalten eines Glasstücks besser vorhersagen zu können, hat unser Team erforscht, wie man die chaotische und sich ständig verändernde Atomstruktur von Glas quantifizieren und manipulieren kann. Die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet haben direkte Vorteile für bestehende Technologien gehabt.

Beispielsweise brechen Telefonbildschirme nicht mehr so ​​leicht wie im Jahr 2014, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass neue Verarbeitungstechniken die Unterschiede in der atomaren Bindungsstärke verringern und so die Ausbreitung von Rissen erschweren. Ebenso hat sich die Internetgeschwindigkeit in den letzten 20 Jahren erheblich verbessert, weil Forscher Wege gefunden haben, die Dichte des für optische Fasern verwendeten Glases gleichmäßiger zu gestalten und so die Datenübertragung effizienter zu gestalten.

Ein tieferes Verständnis dafür, wie man die sich verändernde, chaotische Struktur von Glas manipulieren kann, könnte in den kommenden Jahren zu großen technologischen Fortschritten führen. Forscher arbeiten derzeit an einer Reihe von Projekten, darunter Glasbatterien, die schnellere Ladegeschwindigkeiten und eine verbesserte Zuverlässigkeit ermöglichen könnten, Glasfaser-Windkraftanlagen, die weniger Wartung erfordern als bestehende Turbinen, und verbesserte Speichergeräte.