Atomare Struktur von Glas geklärt

Obwohl Glas zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit gehört, wusste man bisher nur Rätselhaftes über das Innenleben von Glas zu berichten. Denn es wird zwar zu den Festkörpern gezählt, eigentlich ist es aber eine schockgefrorene Flüssigkeit mit scheinbar chaotischer Struktur.

Britische Chemiker berichten nun, dass sie die Struktur hinter dem atomaren Choas gefunden haben: Glas liegen - ebenso wie anderen zähen Flüssigkeiten - Ikosaeder zugrunde, eine komplexe Struktur mit zwanzig gleichseitigen Dreiecken als Flächen.

Mit dem Wissen über die Grundstruktur könne man sich nun an die Herstellung ultra-stabilen metallischen Glases machen, aus dem sich - hypothetisch - sogar Flugzeuge bauen lassen, schwärmt Paddy Royall von der Universität Bristol.

Wie im Verkehrsstau

Man stelle sich Autos im Verkehrsstau vor: Immer wieder bewegen sich einige ein paar Meter weiter, dann steht wieder alles. Dort und da versuchen besonders Wagemutige, eine Lücke in der sich scheinbar schneller bewegenden Nebenspur zu nutzen, um voranzukommen. Alles in allem eine zähe Angelegenheit.

Genauso zäh muss man sich die Zustände im Inneren von Glas vorstellen: Trotz der starren äußeren Erscheinung ist das durchsichtige Material eigentlich eine Menge aus momentan festgeklemmten Atomen, die sich dennoch langsam weiterbewegen.

Komplexe Struktur im Inneren

Bild: Universitaet Innsbruck / Skizze eines Ikosaeders
Warum im Inneren von Glas das Chaos herrscht, darüber konnte man bisher nur spekulieren. Denn obwohl es - gleich wie viele andere Materialien, die vom flüssigen in den festen Zustand übergehen - ein Kristallgitter ausbilden möchte, werden die Atome an einem scheinbar zufälligen Ort "eingefroren", von dem sie sich nur mehr ganz langsam wegbewegen können.

Schon in den 1950er Jahren formulierte der Physiker Charles Frank die Hypothese, dass hinter dem "Atomstau" doch eine Struktur steckt und sich die Atome in Ikosaedern arrangieren. Ikosaeder verfügen über zwanzig gleichseitige Dreiecke als Außenflächen, 30 Kanten und zwölf Ecken.

Paddy Royall und seine Kollegen griffen die These des ebenfalls an der Universität Bristol tätigen Frank auf und überprüften sie experimentell. Das Problem dabei: Atome lassen sich mit Standardmikroskopen nicht beobachten, weil sie schlicht zu klein sind. Deshalb griffen die Forscher auf Kolloide zurück.

Bildet man mit diesen winzigkleinen Tröpfchen, die vom Verhalten her Atomen ähneln, eine Flüssigkeit und kühlt sie ab, bildet sich ein Gel, dessen Teilchen Kristallstrukturen bilden wollen, aber nicht können - gleich wie bei Glas (Ausschnitt aus der atomaren Struktur siehe Bild oben).

Es zeigte sich, dass auch dieses Gel aus Ikosaedern besteht, und die Komplexität dieser Struktur ist laut Studie dafür verantwortlich, dass Materialien wie Glas nicht fest werden.

Simple Metalle

Im Unterschied zu Glas ist die Struktur von Metallen simpel: Beim Abkühlen bilden sie klar abgegrenzte Kristalle. Der vergleichsweise einfache Aufbau ist aber auch dafür verantwortlich, dass Metalle über Sollbruchstellen verfügen, wenn Druck ausgeübt wird, erklärt Paddy Royall gegenüber science.ORF.at: Die Verbindungen zwischen den Kristallen geben nach, das Material bricht auseinander.

Metallisches Glas: Undurchsichtig und ultrastabil

Glas hingegen ist eben aufgrund der komplexen Struktur prinzipiell ultrastabil, was man nicht glauben würde, wenn man an brüchiges Fensterglas denkt. Das liege aber am Material, erklärt Royall: Trinkgläser ebenso wie Fenstergläser bestehen aus Siliziumdioxid, das meist mit anderen Stoffen vermischt wird, um die Schmelztemperatur zu senken und die Verarbeitung zu erleichtern. Das mache es so brüchig.

Demgegenüber könne man Glas aber auch aus Metallatomen herstellen. Metallisches Glas ist zwar nicht mehr durchsichtig, dafür ultrastabil, aber sehr teuer und aufwändig in der Herstellung.

Flugzeug aus Glas noch nicht startklar

Die Entdeckung der inneren Struktur von Glas könnte die Herstellung vereinfachen, hofft Chemiker Royall. Die Ultra-Stabilität würde Metallglas für eine Reihe von Verwendungen attraktiv machen, nicht zuletzt für den Flugzeugbau.

Bis sich die ersten Passagiere in ein Flugzeug aus Glas wagen, werden aber noch viele Jahre vergehen: Noch arbeitet die Wissenschaft an den Grundlagen.