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 Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | 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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie