Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Glasklare Methode, um Glas von Flüssigkeit zu unterscheiden

28.05.2013
Viele feste Materialien werden aus der Schmelze produziert. Je nachdem wie rasch diese abkühlt, bauen sich dabei innere Spannung auf.

Ein Beispiel sind Bologneser Tränen: Ihr dickes Ende hält sogar Hammerschlägen stand, während schon leichter Druck am dünnen Ende die gesamte Träne zerspringen lässt. Auch die Eigenschaften von Sicherheitsglas werden durch innere Vorspannungen bestimmt.


Die verwendeten Modell-Kolloide: etwa 150 Nanometer kleine Partikel in Wasser. Der feste Kern besteht aus dem Kunststoff Polystyrol, die umgebende Schale aus einem thermosensitiven Netzwerk aus Poly(N-isopropyl-acrylamid). Durch Senken der Temperatur lässt sich das Volumen der einzelnen Partikel – und damit auch deren Packungsdichte – erhöhen.
Foto: HZB/M. Siebenbürger

Doch bislang war kaum verstanden, welche Besonderheiten der Glaszustand im Vergleich zu einer zähen Schmelze aufweist. Mit einem überraschend einfachen Modell hat nun eine große Kooperation aus mehreren Forschungsteams aus Deutschland und Kreta erklären können, was Glas und Schmelze voneinander unterscheidet.

Ein wichtiger Beitrag kam dabei aus dem HZB: Die Chemikerin Dr. Miriam Siebenbürger aus dem HZB-Institut Weiche Materie und Funktionale Materialien hat ein elegantes Modellsystem entwickelt, das aus Kunststoffpartikeln in wässriger Salzlösung besteht (eine sog. Suspension).

Da die Partikel mit einem Durchmesser von rund 150 Nanometern extrem klein sind, schweben sie in der Lösung und sedimentieren nicht. Diese Nanopartikel besitzen eine thermosensitive „Schale“, deren Dicke sich über Wärme beeinflussen lässt. Sie können dadurch kontinuierlich wachsen oder schrumpfen. So kann die Chemikerin ihre Proben gezielt von einem dicht gepackten „Glas“ in einen weniger dichten, flüssigen Zustand überleiten, sie also schmelzen.

Mit einer rheologischen Messreihe ermittelte Miriam Siebenbürger, wie rasch innere Spannungen in ihren Proben mit unterschiedlichen Partikelpackungsdichten abklingen konnten. Dafür schloss sie die Proben zwischen zwei Platten ein, die gegeneinander verdreht wurden, um Scherkräfte in der Probe zu erzeugen. Nachdem bei konstanter Schergeschwindigkeit ein stationärer Zustand der Scherspannung erreicht war, wurden die Platten aktiv gestoppt. Im Anschluss wurde die Kraft gemessen, die benötigt wird, um die Platten an der Nullposition zu halten.

Diese Kraft ist ein Gradmesser für die inneren Spannungen. Dabei zeigte sich der entscheidende Unterschied zwischen dem flüssigen und dem Glas-Zustand sehr deutlich: Während in Flüssigkeiten die Spannungen vollständig abklangen, blieb ein Teil der Spannungen im Glaszustand dauerhaft erhalten. Die Ergebnisse passen sehr gut zu dem theoretischen Modell von Konstanzer Physikern, die das Verhalten harter Kugeln in unterschiedlichen Packungsdichten berechneten.

Doch nicht nur das: auch Messungen der inneren Spannungen und der Dynamik an größeren Partikeln (im µm-Bereich) von Forschern in Kreta und Düsseldorf und die molekulardynamische Simulation harter Kugeln von Forschern aus Köln und Mainz zeigen das gleiche Verhalten. Die Wissenschaftler sind überzeugt davon, dass ihre Ergebnisse weitgehend auf alle Gläser übertragbar sind, die durch die hohe Packungsdichte gebildet werden, zum Beispiel auf metallische Gläser, wie sie für High-Tech-Anwendungen entwickelt werden. Die Arbeit ist nun in den renommierten Physical Review Letters veröffentlicht und erhielt dabei den Status „Selected for a Focus in Physics“ und „Editor’s Suggestion“.

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.215701
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.215701

M. Ballauff, J. M. Brader, S. U. Egelhaaf, M. Fuchs, J. Horbach, N. Koumakis, M. Krüger, M. Laurati, K. J. Mutch, G. Petekidis, M. Siebenbürger, Th. Voigtmann, and J. Zausch, “Residual Stresses in Glasses“, Phys. Rev. Lett. 110, 215701 (2013).

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

6. Internationale Fachkonferenz „InnoTesting“ am 23. und 24. Februar 2017 in Wildau

22.02.2017 | Veranstaltungen

Wunderwelt der Mikroben

22.02.2017 | Veranstaltungen

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ursache für eine erbliche Muskelerkrankung entdeckt

22.02.2017 | Medizin Gesundheit

Möglicher Zell-Therapieansatz gegen Zytomegalie

22.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Meeresforschung in Echtzeit verfolgen

22.02.2017 | Geowissenschaften