Wie Glas entsteht

In einer Schmelze existieren kleine verdichtete Bereiche, die den Ausgangs­punkt für die Glas­bildung dar­stellen. Das zeigen Experi­mente von Forschern der Uni Mainz. Die Wissen­schaftler haben damit ein entschei­dendes Puzzle­teilchen zur Erklärung der Glas­bildung gefunden und können so eine jahr­zehnte­lange Kontro­verse beenden. In den ver­dich­teten Regionen ist die Beweg­lich­keit der Teil­chen stark einge­schränkt und es findet eine Art Klumpen­bildung statt. Je mehr dieser ver­klumpten Regionen auf­treten, desto lang­samer wird ihre innere Dynamik. Ab einem bestimmten Punkt ist schließ­lich keine Kristall­bildung mehr möglich, sondern die Schmelze verfestigt sich in einer Glas­struktur. Die Ergeb­nisse zeigen auch die enge Verbindung zwischen den Mecha­nismen der Kristal­lisation und der Glas­bildung auf.

Glas und Kristall sind zwei verschiedene Strukturen, die jeweils aus einer unge­ordneten Schmelze ent­stehen können. In Gläsern behalten die Atome einen unge­ordneten Zustand bei wie in einer Flüssig­keit, in Kristallen nehmen sie eine sehr regel­mäßige Gitter­struktur ein. Welche Struktur sich heraus­bildet, entscheidet der Ver­festigungs­prozess. Glas­bildung bezieht sich bei den physi­ka­lischen Unter­suchungen nicht auf die Her­stellung etwa von Fenster­glas oder Trink­gläsern, sondern beschreibt die Bildung von amorphen Fest­stoffen, die also im Gegen­satz zu Kristallen kein regel­mäßiges Muster erkennen lassen.

Seit den 1990er Jahren ist bekannt, dass Schmelzen einer­seits Bereiche unter­schied­licher Dichte auf­weisen, anderer­seits aber auch Bereiche, die sich in der Beweg­lich­keit der Atome unter­scheiden, also sowohl struktu­relle als auch dyna­mische Inhomo­genitäten. Seither haben theore­tische Physiker kontro­verse Debatten geführt, welche Rolle den beiden Bereichen bei der Ver­festigung jeweils zukommt. „Wir haben jetzt fest­ge­stellt, dass diese Bereiche zusammen­fallen. Damit ist die Kontro­verse gelöst“, sagt Thomas Palberg von der Uni Mainz.

Um die ablaufenden Prozesse zu verstehen, hat Sebastian Golde im Arbeits­kreis von Palberg Modell­systeme aus Hart­kugeln mit einem optischen Experiment unter­sucht. Dazu hat er Hart­kugel­schmelzen verwendet und sie über die Streuung von Laser­licht analy­siert. „Wir konnten zeigen, dass die Regionen mit dichter gepackten Kugeln und einer etwas größeren Ordnung mit den Regionen über­ein­stimmen, in denen sich die Hart­kugeln deutlich lang­samer bewegen“, erläutert Golde. Damit ist das alte Rätsel über die zwei unter­schied­lichen Inhomo­genitäten aufge­klärt.

Die eingesetzte Methode, eine Kombination aus statischer und dyna­mischer Licht­streuung, hat aber noch weitere Einsichten ermög­licht. Die Beleuchtung der Proben mit Laser und die Ver­teilung des gestreuten Lichts machen die Struktur und Größe einzelner Bereiche sicht­bar und lassen die Geschwin­digkeit und Dynamik genau erkennen – ähnlich wie bei einer Kamera­auf­nahme ist das Ergebnis eine Art Foto, das die Dynamik orts­auf­ge­löst wieder­gibt. So beob­achteten die Wissen­schaftler, dass bei zuneh­mender Packungs­dichte – gemessen als Volumen­anteil der Hart­kugeln am Gesamt­volumen der Schmelze – mehr und mehr kleine verdich­tete Bereiche mit lang­samen Kugeln ent­stehen. Bei niedriger Konzen­tration dieser Bereiche wachsen Kristall­strukturen, steigt die Konzen­tration, ver­keilen die Bereiche und das System erstarrt als Glas.

„Gläser entstehen also, wenn zu große Mengen an Kristal­lisations­vor­stufen gebildet werden, sodass sie sich gegen­seitig blockieren“, so Palberg. „Damit ist das Puzzle­teilchen gefunden. Das Verklumpungs­bild gehört zur Beschreibung des Glas­über­gangs ein­deutig dazu.“ Als Grenze für die Kristall­bildung haben die Forscher eine Packungs­dichte von 59 Prozent ermittelt – ist der Anteil der Hart­kugeln größer, wird aus der Schmelze ein Glas.

JGU / RK