Ganz tief ins Glas geschaut
Höchstauflösende Elektronenmikroskopie macht dynamische Prozesse in Siliziumdioxid auf atomarer Ebene sichtbar.
Jeder hat es schon in der Hand gehabt und manch einer hat wohl mal ganz tief hineingeschaut: Glas. Aber so grundlegende Einsichten, wie sie ein Physikerteam der Universitäten Cornell und Ulm in dieses besondere Material gewonnen haben, hat bisher noch niemand nehmen können. Dem internationalen Forscherteam, das durch einen Zufallsfund die dünnste Glasschicht der Welt entdeckt und dafür vor Kurzem einen Eintrag ins Guinness-Book erhalten hat, ist es nun gelungen, Deformationsprozesse in solch einer Glasschicht elektronenmikroskopisch sichtbar zu machen. Diese Verformungen treten auf, wenn Glas beispielsweise gebogen wird oder schmilzt.
Abb.: Die Atomstruktur von Glas gleicht unter dem Elektronenmikroskop einem unregelmäßigem Netz verschiedener Polygone. Bei einer Deformation rearrangieren sich Atome aus einem Feld aus Fünf- und Siebenecken (hier rot und grün gefärbt) zu einer Konstellation von Sechsecken. (Bild: U. Ulm)
Dafür haben die Forscher die ultradünne Glasschicht – sie ist nur eine Moleküllage dick – mit Hilfe eines Elektronenstrahls erhitzt. „Dabei entstehen im Übergang zwischen fester und flüssiger Phase Deformationen in der atomaren Struktur, die man nur unter einem besonderen höchstauflösenden Elektronenmikroskop sichtbar machen kann“, erklärt Ute Kaiser. Die Professorin für Experimentelle Physik leitet die Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm. Gemeinsam mit David Muller, Ko-Direktor des Kavli Institute for Nanoscale an der Cornell University, Pinshane Huang und Simon Kurasch konnten die Forscher erstmals atomare Transformationen sichtbar machen, die bei einer Verformung ablaufen, bevor Glas zerbricht. Eingesetzt haben sie dafür das Ulmer bildfehlerkorrigierte Transmissionselektronenmikroskop (TEM).
Die Forscher haben so nicht nur den empirischen Nachweis erbracht, dass die Silizium- und Sauerstoffatome, aus denen Glas besteht, recht unregelmäßig in verschiedenen Polygonen angeordnet sind. „Wir konnten sogar filmen, wie sich im Schmelzvorgang Felder aus Fünf- und Siebenecken zu Sechsecken reorganisieren“, sagt Kurasch, der die Abbildungen in Ulm gemacht hat. „Man kann sozusagen den Atomen beim ‚Tanzen’ zusehen, und deren veränderte Atompositionen durch unsere speziell dafür entwickelte Auswertetechnik verfolgen“, erläutert Huang.
Die US-amerikanischen Physiker haben die elektronenmikroskopischen Aufnahmen aus Ulm aufbereitet und weiter ausgewertet. Dabei konnten sie auch die Verschiebung der Rotationswinkel in den Übergangsbereichen sichtbar machen und die Fluktuation zwischen festen zu flüssigen Bereichen quantifizieren. Die Einblicke des Forscherteams in das dynamische Verhalten von Glas auf atomarer Ebene schließen eine große Forschungslücke. Bisher war es nur möglich, Annahmen zur atomaren Grundstruktur und ihren dynamischen Eigenschaften am Computermodell oder mit Hilfe verwandter kolloidaler Strukturen zu überprüfen. „Nun haben wir zum ersten Mal überhaupt tatsächlich zeigen können, wie sich Silizium- und Sauerstoff-Atome wirklich verhalten, wenn Glas verbogen oder geschmolzen wird“, freut sich Kaiser.
U. Ulm / DE
Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (TEM) die dynamischen Prozesse bei der Deformation von Glas sichtbar zu machen. Die ringförmig-vernetzen Polygone lösen sich auf und organisieren sich neu. So können einzelne Siliziumatome dabei beobachtet werden, wie sie neue Konfigurationen eingehen. Die nachträglich eingefärbten Zonen zeigen die Übergangsbereichen zwischen festen und flüssigen Bereichen, wo die Deformationen und Rearrangements besonders stark sind. (Film: U. Ulm)
