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Physik: Auf der Suche nach dem idealen Glas

Die Menschheit weiß seit Jahrtausenden, wie man Glas herstellt. Dennoch sind die physikalischen Eigenschaften des Materials bis heute nicht vollständig geklärt. Uralte Funde sowie neue Herstellungs- und Simulationsmethoden sollen nun dabei helfen, die letzten Geheimnisse zu lüften.
Wurmloch im Reagenzglas

Riesige Interferometer spüren in den USA, Italien und Japan winzige Schwingungen der Raumzeit auf. Die aus kilometerlangen Hohlräumen bestehenden Geräte detektieren kleinste Längenunterschiede, die kürzer sind als der Durchmesser eines Atomkerns. Um eine solche Präzision zu erreichen, muss man alle möglichen Störquellen eliminieren. Eine wichtige Rolle spielen die Spiegel, die das Laserlicht in den Hohlräumen reflektieren. Indem die Forscherinnen und Forscher Glas höchster Qualität verwenden, wollen sie die Messgenauigkeit der Geräte weiter verbessern.

Auch in vielen anderen technologischen Bereichen ist besonders hochwertiges Glas erforderlich. Zum Beispiel enthalten einige Quantencomputer glasartige Komponenten in ihren Schaltkreisen. Bei diesen Rechnern kann schon die kleinste Störung die empfindlichen Quantenzustände zerstören. Deshalb spielt bei solchen hochmodernen Technologien die Glasherstellung eine entscheidende Rolle.

Die Geschichte des Materials reicht sehr weit zurück. Die ältesten Spuren von gefertigtem Glas wurden in Mesopotamien gefunden und stammen aus dem fünften Jahrtausend vor Christus. Heute ist der Stoff allgegenwärtig, sowohl in Alltagsgegenständen als auch bei der Herstellung von Kunstwerken wie den berühmten Murano-Gläsern. Man findet es in der Architektur, der Pharmaindustrie oder in Internetkabeln. Die besonderen physikalischen Eigenschaften (Transparenz, Homogenität, Steifigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit) machen es zu einem wichtigen Material, das sich für unterschiedlichste Anwendungen eignet. Zwar wurden die Herstellungsmethoden im Lauf der Jahrhunderte fortlaufend verbessert, trotzdem stellt sich die Frage, ob man die Qualität von Glas noch weiter optimieren kann, um den wachsenden technologischen Anforderungen gerecht zu werden. Anders ausgedrückt: Gibt es ein »ideales« Glas, das die begehrten Eigenschaften des Materials in höchstem Maße aufweist und jene Mängel beseitigt, welche die Anwendungen derzeit noch einschränken? So erstaunlich es klingen mag, könnte das tatsächlich der Fall sein …

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  • Quellen

Berthier, L., Ediger, M. D.: Facets of glass physics. Physics Today, 2016

Berthier, L. et al.: Origin of ultrastability in vapor-deposited glasses. Physical Review Letters 119, 2017

Berthier, L. et al.: Configurational entropy of glass-forming liquids. Journal of Chemical Physics 150, 2019

Ninarello, A. et al.: Models and algorithms for the next generation of glass transition studies. Physical Review X 7, 2017

Parisi, G. et al.: Theory of simple glasses: exact solutions in infinite dimensions. Cambridge University Press, 2020

Scalliet, C. et al.: Depletion of two-level systems in ultrastable computer-generated glasses. Physical Review Letters 124, 2020

Swallen, S. F. et al.: Organic Glasses with exceptional thermodynamic and kinetic stability. Science 315, 2007

Wang, L. et al.: Low-frequency vibrational modes of stable glasses. Nature Communications 10, 2019