Das Geheimnis des Glasübergangs

Stuttgarter Forscher haben gemeinsam mit Kollegen aus Ulm, Graz und Beijing (China) einen wichtigen Beitrag geleistet, um die Mechanismen des Glasübergangs in amorphen Metallen aufzuklären.

Gläser sind Festkörper, in denen der flüssige Zustand eingefroren ist. Im Gegensatz zu kristallinen Festkörpern besitzen Gläser keine geordnete atomare Struktur sondern sind amorph (gr.: strukturlos). Wissenschaftlern am Institut für Theoretische und Angewandte Physik der Universität Stuttgart um Hans-Eckhardt Schaefer ist es nun gelungen, einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Mechanismen des Glasübergangs in amorphen Metallen zu leisten, bei dem der Festkörper vom amorphen Zustand in den Zustand der unterkühlten Schmelze übergeht. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Science and Technology, Beijing (China), der Technischen Universität Graz und der Universität Ulm und wurde von der Max-Planck-Gesellschaft gefördert.

Eine immer größer werdende Klasse von Metallen lässt sich in den amorphen Zustand bringen. Diese nichtkristallinen, ungeordneten Strukturen weisen außergewöhnliche mechanische und magnetische Eigenschaften sowie hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Wegen der amorphen Struktur werden diese metallischen Materialien auch metallische Gläser genannt. Der so genannte Glasübergang in diesen Festkörpern ist nun von enormer Bedeutung für die Eigenschaften dieser Materialien, die beispielsweise in der Medizintechnik, modernen Sportgeräten, oder aber auch als Hochleistungsstähle der Zukunft Anwendung finden. Der Glasübergang, bei dem sich die mechanischen Materialeigenschaften rapide mit der Temperatur ändern, ist nach den neuen Untersuchungen signifikant durch die Einführung freier atomarer Plätze (Leerstellen) bei höheren Temperaturen bestimmt, die bei Absenkung der Temperatur wieder verschwinden. Diese neuartigen Erkenntnisse konnten durch hochpräzise Messungen der Materialabmessungen bis in den Nanometerbereich gewonnen werden. Dazu kam die Methode der zeit-differenziellen Dilatometrie (zeitabhängige Ausdehnungsmessung bei konstanter Temperatur nach schnellen Temperaturwechseln), die in der Gruppe von Hans-Eckhardt Schaefer entwickelt wurde, zum Einsatz. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für das Verständnis amorpher Materialien wie Quarzglas, Polymere oder biologische Eiweißmaterialien und sind von herausragender Bedeutung für die Festkörper- und Materialphysik.

Quelle: Universität Stuttgart

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Feng Ye, Wolfgang Sprengel, Rainer K. Wunderlich, Hans-Jörg Fecht und Hans-Eckhardt Schaefer, Reversible atomic processes as basic mechanisms of the glass transition, PNAS 104, 12962 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0705221104
• Institut für Theoretische und Angewandte Physik, Universität Stuttgart:
  http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de