Ein mysteriöser Zustand

News: Ein mysteriöser Zustand

Wäre es nicht durchsichtig, würden wir es mit Sicherheit viel öfter wahrnehmen. Doch so schauen wir hindurch, als sei es gar nicht vorhanden. Aber es ist unbestritten eine feine Sache, so ein Fenster. Dabei ist Fensterglas nur eine von vielen glasartigen Substanzen. Allerdings ist die Beschreibung des Zustandes, der diese Materialien ausmacht, nicht ganz so einfach, denn er lässt sich nirgends so richtig einorden. Wissenschaftler haben nun die Zerbrechlichkeit von glasartigen Materialien in Zusammenhang mit der Wärmekapazität gebracht und können glasartige Substanzen damit in einer allgemeingültigen Form beschreiben.

Kristalline Festkörper verhalten sich vollkommen anders als Flüssigkeiten. So ist es zum Beispiel in einem Kristall nicht möglich, ein Atom von einem Ort an einen anderen zu bewegen, ohne die gesamte Struktur zu verschieben. Glas hingegen läßt sich in vielen Aspekten weder in den einen, noch in den anderen Zustand einordnen. Für Peter Wolynes von der University of Illinois ist das ein Grund dafür, "die Starrheit des amorphen Festkörpers Glas als besonders mysteriös" zu betrachten. "Ohne jegliche Ordnung verhält sich dieses chaotische Wirrwar von Atomen, als wäre es starr gefroren", so Wolynes.

Glas zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die meisten Veränderungen, die das Material durchmacht, in sehr langen Zeiträumen ablaufen. Wird es abgekühlt, verändern sich auch die Zeitspannen. "Doch wie schnell diese Zeiträume zunehmen [...] ist das, was die Zerbrechlichkeit bestimmt", sagt Wolynes. Denn genau diese Zerbrechlichkeit unterscheidet schnelle Glasbildner, wie zum Beispiel Polymere es sind, von langsamen wie Fensterglas. Das Ziel Wolynes und seines Mitarbeiters war es nun, die Zerbrechlichkeit mit anderen wichtigen Größen der Glasentstehung in Zusammenhang zu bringen.

Vor zehn Jahren entwickelte Wolynes die sogenannte Random First Order Transition Theory of Glases. Die Theorie beschreibt qualitativ das Phänomen der Glas-Umwandlung. Die resultierende mathematische Beschreibung basiert auf sehr genauen Gefrier-Theorien. Doch anders als bei dem Vorgang des Gefrierens, bei dem normalerweise nur einige wenige systematische Strukturen entstehen, ist die Glas-Bildung ein sehr ungeordneter Prozess. Hierbei kann es vorkommen, dass eine Flüssigkeit sehr viele verschiendene Strukturen bildet. Die Anzahl der möglichen Gefrier-Muster schien dabei mit der Starrheit des Materials einher zu gehen.

"In den folgenden Jahren stellten wir fest, dass wir unsere Theorie nehmen können, um quantitav zu beschreiben, was eine glasartige Substanz von der anderen unterscheidet – und diese fundamentale Fließcharakteristik ist die Zerbrechlichkeit", sagte Wolynes. "Anschließend korrelierten wir die Zerbrechlichkeit des Materials mit thermodynamischen Messungen der Wärmekapazität."

Während die Wärmekapzität einer Flüssigkeit sehr hoch ist, nimmt sie im Moment der Glasumwandlung auf einen für kristalline Zustände typischen Wert ab. Sie ist ein Maß für die Unordnung, also die Entropie in einem System: Die Wärmekapazität sinkt beim Kühlen in dem Maße, in dem die Entropie der Flüssigkeit abnimmt. Somit bestimmten die Wissenschaftler die Wärmekapazität der Substanzen und berücksichtigten diese in ihrer mathematischen Gleichung. Dabei können die Forscher voraussagen, wie sehr die Geschwindigkeit der Molekularbewegung gleichzeitig mit der Temperatur sinkt (Proceedings of the National Academy of Sciences vom 28. März 2000).

"Die Tatsache, dass glasartige Materialien nun in einer allgemeingültigen Form beschrieben werden können, gibt uns die Zuversicht, dass wir das Glasumwandlungs-Phänomen wirklich verstehen", so Wolynes. "Die Kenntnisse werden auch für andere Studien wie zum Beispiel über die Protein-Faltung, sehr wertvoll sein."

Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.