Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Glasbildung durch amorphe Ordnung

10.06.2016

In einem soeben erschienenen Beitrag im führenden naturwissenschaftlichen Fachjournal "Science" lösen Forscher der Universitäten Augsburg und Paris einen lang anhaltenden Streit über die wahre Natur des Übergangs von der Flüssigkeit in das feste Glas und bestätigen die Theorie, wonach es sich um einen - wenngleich unkonventionellen - Phasenübergang handelt.

Obwohl Gläser zu den ältesten vom Menschen genutzten Materialien gehören, sind die molekularen Vorgänge beim Übergang von der Flüssigkeit in das feste Glas noch weitgehend unverstanden. In ihrem soeben in "Science" erschienenen Beitrag "Fifth-order susceptibility unveils growth of thermodynamic amorphous order in glass-formers" lösen nun die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Alois Loidl und PD Dr. Peter Lunkenheimer (beide Universität Augsburg) zusammen mit Kollegen aus Paris eine alte Streitfrage:


Glasbildung auf molekularer Ebene (Erläuterungen im Text)

© Universität Augsburg/IfP/EP V

Glas ist nicht einfach eine "eingefrorene" Flüssigkeit, die bei Abkühlung immer zäher wird, Glas entsteht vielmehr durch einen sogenannten thermodynamischen Phasenübergang, was bedeutet: Das Abkühlen der Glasschmelze geht einher mit einer zunehmend gemeinsamen ("kooperativen") Bewegung, was schließlich zu sogenannter amorpher Ordnung und damit zur Erstarrung führt.

Den Nachweis dieses Molekülverhaltens konnten die Wissenschaftler aus Augsburg und Paris dadurch erbringen, dass es ihnen gelungen ist, die Reaktion glasbildender Flüssigkeiten auf ultrastarke elektrische Wechselfelder mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen.

Eine alte Kontroverse

Gläser haben eine immense technologische Bedeutung und sind nahezu allgegenwärtig in unserem täglichen Leben - von klassischen Anwendungsfeldern wie Fenstern oder Behältern bis hin zu Glasfasern zur optischen Datenübertragung oder zu neuartigen Elektrolytmaterialien in Akkumulatoren oder Brennstoffzellen. Auch die große Gruppe der Polymere oder Metallische Gläser - neuartige Materialien mit gegenüber herkömmlichen Metallen weit überlegenen Werkstoffeigenschaften - gehören physikalisch zur Gruppe der Gläser.

In den meisten Fällen werden Gläser durch einfaches Abkühlen aus der Schmelze hergestellt. Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten erstarren Glasschmelzen aber nicht schlagartig, was typisch für einen sogenannten Phasenübergang wäre, sondern kontinuierlich. Diese langsame Änderung der Viskosität wird seit Jahrhunderten von Glasbläsern bei der Herstellung von Glasobjekten genutzt, sie spielt darüber hinaus z. B. auch bei der Verarbeitung vieler Kunststoffe eine wichtige Rolle.

Ein rein dynamisches Phänomen oder ein Phasenübergang?

Konventionelle Fest-flüssig-Phasenübergänge sind theoretisch gut verstanden und erklärt, ganz im Gegensatz zum Glasübergang, dessen Ursache seit langem kontrovers diskutiert wird: Aufgrund der erwähnten Besonderheit der Glasbildung, des nicht-schlagartigen Erstarrens also, wird dieser Flüssig-fest-Übergang von einigen theoretischen Physikern als ein von Phasenübergängen grundsätzlich zu unterscheidendes, rein dynamisches Phänomen betrachtet, bei dem die Molekülbewegung bei tiefen Temperaturen kontinuierlich zum Erliegen kommt. Glas erscheint in dieser Theorie also einfach als Flüssigkeit mit extrem hoher Viskosität. Eine andere theoretische Sichtweise erklärt den Glasübergang aber durchaus auf der Basis eines, wenn auch unkonventionellen, Phasenübergangs, der letztlich zu sogenannter "amorpher Ordnung" führt, wobei die Moleküle in zwar ungeordneten, aber wohldefinierten Positionen einfrieren.

Der Glasübergang – ein Phasenübergang, wenngleich ein unkonventioneller

Der meist beobachtete instantane, also schlagartige Übergang von einer Flüssigkeit in den kristallinen Festkörper geht einher mit einer für einen Phasenübergang typischen Zunahme der Kooperativität der wechselwirkenden Atome oder Moleküle. Durch hochpräzise Experimente bei Spannungen bis zu einigen 1000 V an unterschiedlichen glasbildenden Flüssigkeiten ist es den Physikern an der Universität Augsburg in Zusammenarbeit mit ihren französischen Kollegen François Ladieu und Giulio Biroli (beide Université Paris-Saclay) und Jean-Philippe Bouchaud (Capital Fund Management, Paris) nun gelungen, eine solche phasenübergangstypische Veränderung der Kooperativität der wechselwirkenden Moleküle auch bei der Glasbildung nachzuweisen. In diesen Experimenten wurde die fünfte Oberwelle eines angelegten Wechselfeldes bei der glasigen Erstarrung detektiert, und daraus ließ sich die wachsende Zahl sich kooperativ bewegender Moleküle bestimmen. "Unser experimenteller Befund favorisiert also deutlich theoretische Modelle, die den Glasübergang als Phasenübergang beschreiben", so Alois Loidl.

Dreidimensionale statt fraktaler Molekülregionen

Bei thermodynamischen Phasenübergängen erwartet man theoretisch "fraktale Dimensionen" der kooperativen Molekülregionen, will heißen: Man erwartet, dass diese Regionen geometrische Objekte mit einer Dimension sind, die kleiner ist als die des Raumes. Überraschenderweise fanden die Augsburger und Pariser Physiker nun allerdings, dass sich am Glasübergang durchaus dreidimensionale, also nicht-fraktale Molekülregionen ausbilden. Dies bestätigt Vorhersagen der an diesem Projekt beteiligten theoretischen Physiker Biroli und Bouchaud über die unkonventionelle Natur des der Glaserstarrung zugrundeliegenden Phasenübergangs.

"Wir haben ein Phänomen, das seit Jahrtausenden auf empirischer Basis genutzt wird, aber bisher nicht wirklich verstanden war, nun auf mikroskopischer Ebene entschlüsselt", resümiert Lunkenheimer und ist sich sicher, dass dies entscheidend zu einem tieferen Verständnis von so unterschiedlichen Materialien wie Silikatgläsern, Polymeren, metallischen Gläsern und sogar von diversen Arten biologischer Materie beitragen werde.

Die Untersuchungen des Glasübergangs am Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus des Instituts für Physik der Universität Augsburg werden im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschergruppe "Nonlinear response to probe vitrification" durchgeführt.

Zur Abbildung "Glasbildung auf molekularer Ebene":

Die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Suszeptibilität fünfter Ordnung, die die Reaktion des Materials - gemessen bei der fünften Oberwelle des angelegten Wechselfeldes - charakterisiert (Graph im Vordergrund), offenbart eine Vergrößerung von Regionen sich gemeinsam bewegender Moleküle beim Übergang von der Flüssigkeit (rechter Kreis) in das feste Glas (linker Kreis). Diese Regionen sind bei hohen Temperaturen in der viskosen Flüssigkeit klein, im festen Glas sind sie groß. © Universität Augsburg/IfP/EP V

Originalbeitrag:

S. Albert, Th. Bauer, M. Michl, G. Biroli, J.-P. Bouchaud, A. Loidl, P. Lunkenheimer, R. Tourbot, C. Wiertel-Gasquet, F. Ladieu: "Fifth-order susceptibility unveils growth of thermodynamic amorphous order in glass-formers ". Science, 10 Juni 2016, http://dx.doi.org/ 10.1126/science.aaf3182


Ansprechpartner an der Universität Augsburg:

• Priv.-Doz. Dr. Peter Lunkenheimer
Telefon +49(0)821/598-3649
peter.lunkenheimer@physik.uni-augsburg.de

• Prof. Dr. Alois Loidl
Telefon +49(0)821/598-3600
alois.loidl@physik.uni-augsburg.de

Lehrstuhl für Experimentalphysik V/EKM, Universität Augsburg
Universitätsstraße 1, 86159 Augsburg
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp5/

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/ 10.1126/science.aaf3182
http://www.physik.uni-augsburg.de/lehrstuehle/exp5/

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Glasbildung Glasübergang Moleküle Phasenübergang Viskosität

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
17.04.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Neues Material macht Kältemaschinen energieeffizienter
10.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Im Focus: Basler Forschern gelingt die Züchtung von Knorpel aus Stammzellen

Aus Stammzellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen lassen sich stabile Gelenkknorpel herstellen. Diese Zellen können so gesteuert werden, dass sie molekulare Prozesse der embryonalen Entwicklung des Knorpelgewebes durchlaufen, wie Forschende des Departements Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel im Fachmagazin PNAS berichten.

Bestimmte mesenchymale Stamm-/Stromazellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen gelten als äusserst viel versprechend für die Regeneration von Skelettgewebe....

Im Focus: Basel researchers succeed in cultivating cartilage from stem cells

Stable joint cartilage can be produced from adult stem cells originating from bone marrow. This is made possible by inducing specific molecular processes occurring during embryonic cartilage formation, as researchers from the University and University Hospital of Basel report in the scientific journal PNAS.

Certain mesenchymal stem/stromal cells from the bone marrow of adults are considered extremely promising for skeletal tissue regeneration. These adult stem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Mai zum 7. Mal an der Hochschule Stralsund

12.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Aus dem Labor auf die Schiene: Forscher des HI-ERN planen Wasserstoffzüge mit LOHC-Technologie

19.04.2018 | Verkehr Logistik

Neuer Wirkmechanismus von Tumortherapeutikum entdeckt

19.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics