Einen Schritt näher am idealen Glas
Computersimulationen ergeben erstmals einen „Kauzmann-Übergang“ von einer Flüssigkeit in hypothetischen Aggregatzustand.
Glas im physikalischen Sinn beschränkt sich nicht auf das bekannte Fensterglas, sondern entsteht immer dann, wenn eine Flüssigkeit so schnell abgekühlt wird, dass sie nicht kristallisieren kann. Dadurch besitzt Glas eine amorphe Struktur – das heißt, die „Bausteine“ sind nicht regelmäßig angeordnet wie bei Kristallen. Gleichzeitig ist Glas aber ähnlich widerstandsfähig gegen Deformationen wie ein kristalliner Festkörper.
Doch worum es sich bei Glas genau handelt, ist eine der großen ungelösten Fragen der Physik kondensierter Materie. Unklar ist beispielsweise, ob es sich beim Übergang von der Flüssigkeit in den Glaszustand um einen echten thermodynamischen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen Aggregatzuständen handelt oder um ein rein dynamisches Phänomen, bei dem sich die Flüssigkeit lediglich extrem langsam deformiert.
Ein hypothetischer weiterer Aggregatzustand – neben Gas, Flüssigkeit und kristallinem Festkörper – wurde von mehreren theoretischen Ansätzen vorhergesagt und als „ideales Glas“ bezeichnet. Die experimentelle oder numerische Bestätigung war bislang jedoch nicht möglich, denn um ideales Glas zu erhalten, müsste die entsprechende Flüssigkeit unendlich langsam abgekühlt werden, ohne zu kristallisieren.
Einem Team von Physiker:innen rund um Gerhard Jung vom Institut für Theoretische Physik der Uni Innsbruck ist es nun gelungen, das Abkühlen einer zweidimensionalen Flüssigkeit rechnerisch so zu modellieren, dass diese den idealen Glaszustand erreicht.
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Entscheidend dafür war die Kombination verschiedener numerischer Verfahren, denn herkömmliche Computersimulationen stoßen bei diesem Vorhaben an eine harte Grenze: Sie berechnen, wie sich Teilchen unter dem Einfluss der auf sie wirkenden Kräfte schrittweise bewegen. Mit Berechnungen dieser Art lässt sich jedoch nur ein begrenzter Zeitraum abbilden, selbst wenn man ihn Millionen Male wiederholen würde.
Erst die Verbindung von drei unterschiedlichen statistischen Methoden erlaubte es dem Forscherteam, die Temperaturabsenkung eines Modellsystems tatsächlich bis zum absoluten Nullpunkt zu simulieren. „Wir zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, ideale Gläser zu modellieren und Theorien des Glasübergangs zu testen. Das war bisher nicht klar und ist daher eine äußerst positive Nachricht“, betont Jung.
Mithilfe der Simulation konnten die Forscher die Eigenschaften eines idealen Glases erstmals direkt untersuchen. So beobachteten sie, dass die Anzahl der möglichen Teilchen-Anordnungen bei niedrigen Temperaturen extrem klein wird. Das ist für amorphe Strukturen ungewöhnlich, denn eigentlich zeichnen diese sich gerade dadurch aus, dass ihnen unzählige verschiedene, gleichwertige Anordnungen offenstehen – anders als dem Kristall mit seiner einen, klar vorgegebenen Struktur. Im idealen Glas schrumpft diese Vielfalt jedoch fast vollständig zusammen.
Am Ende bleibt nur noch eine winzige Zahl von Anordnungen übrig, die dem System noch zur Verfügung steht: eine Ordnung, die zwar für das menschliche Auge weiterhin ungeordnet aussieht, sich aber ähnlich eindeutig definieren lässt wie die eines Kristalls.
Die Modellierung in der Studie konzentrierte sich auf sehr kleine Systeme, wobei die maximale Teilchenzahl bei 77 lag. Die Autoren konnten jedoch zeigen, dass sich die Temperatur, bei der sich das ideale Glas bildet, mit wachsender Systemgröße dem absoluten Nullpunkt nähert. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass in zweidimensionalen Materialien mit einer großen Teilchenzahl kein Glasübergang zu beobachten ist, da schon vorher der absolute Nullpunkt erreicht würde – ein Ergebnis, das mit theoretischen Argumenten und bisherigen numerischen Abschätzungen übereinstimmt.
Mit der vorliegenden Publikation kommen die Autoren der Beschreibung des Glasübergangs – laut Nobelpreisträger Philip W. Anderson eines der interessantesten Probleme der Festkörpertheorie – nun einen Schritt näher. In einem nächsten Schritt geht es darum, das Gezeigte auszuweiten. Dafür sollen die Berechnungen auf den dreidimensionalen Raum ausgedehnt werden, wo man auch für große Teilchenzahlen eine Übergangstemperatur oberhalb des Nullpunkts erwartet. [U Innsbruck / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
G. Jung, M. Ozawa, G. Biroli, and L. Berthier, Numerical investigation of the equilibrium Kauzmann transition in a two-dimensional atomistic glass, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (34), e2612355123, 19. August 2026; DOI: doi.org/10.1073/pnas.2612355123 - Theoretische Bio-Nano Physik (Thomas Franosch), Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck
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