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Physikalische Chemie: Gitterstopp

Fest, aber nicht so richtig: Gläsern fehlt die typische Kristallstruktur, die Feststoffe sonst auszeichnet. Warum sich die Atome nicht ordentlich in Reih und Glied einfinden, lässt sich theoretisch erklären. Jetzt kommt aus England auch noch praktischer Anschauungsunterricht.
Strukturen in einem Kolloid-Gel
Der Besuch einer Glashütte bietet weit mehr als einen faszinierenden Einblick in ein altes Handwerk: Gleichzeitig offenbart sich hier ein uraltes Rätsel der physikalischen Chemie. Denn das erstarrende Glas bleibt – vereinfacht gesprochen – eigentlich flüssig. In einem klassischen Festkörper müssten sich die Atome schön geordnet in einer regelmäßigen Gitterstruktur niederlassen. Bei Glas jedoch fällt dieser Schritt aus, und wie bei einem Schnappschuss verharrt jedes Atom einfach dort, wo es in der Schmelze gerade noch war – in einem als amorph bezeichneten zufälligen Durcheinander.

Doch auch in einem solchen Gewusel gibt es Strukturen, manche Atome kommen sich näher als andere, grundlegende Netzwerke entstehen – einfach weil sie energetisch günstiger sind als fernes Nebeneinander. Dieses Wissen im Hinterkopf, entwickelte Sir Charles Frank in den 1950er Jahren die These, dass Gläser nur deshalb keine übliche Kristallstruktur aufweisen, weil sich die Atome mit ihren bereits geknüpften Bekanntschaften quasi selbst im Wege stehen. Er vermutete, dass sich beim schnellen Abkühlen an verschiedenen Stellen in der Flüssigkeit vermehrt Ikosaeder bilden – Strukturen, die als Körper betrachtet einen Zwanzigflächner aus lauter gleichseitigen Dreiecken bilden, würde man die einzelnen beteiligten Atome miteinander durch Striche verbinden.

Das Problem daran – oder eher gemäß Frank des Rätsels Lösung für die mangelnde Struktur im Glas – ist, dass sich aus Ikosaedern zwar Fußbälle, aber auf Grund der fünfzähligen Symmetrie keine periodischen räumlichen Gitter aufbauen lassen. Entsteht nun an also einem Punkt in der Flüssigkeit ein Ikosaeder, so wird er niemals in der Lage sein, sämtliche übrigen, noch frei umher fleuchenden Atome in eine gemeinsame Struktur zu bringen. Begegnen sich gar mehrere solcher erster Kristallisations-Keimzellen, geraten sie sich ins Gehege, weshalb etliche atomare Freiläufer innerhalb der sich selbst begrenzenden Netzwerke übrig bleiben.

So weit die nachvollziehbare Theorie – nur wäre es schön, sie auch in der Praxis bestätigt zu wissen. Patrick Royall von der University of Bristol und seine Kollegen griffen dafür statt zu Glas zu einer Kolloid-Lösung, in die sie größere Polymerkügelchen einschleusten. Kolloide sind beliebte Modelle, um Vorgänge auf atomarer Ebene nachzuspielen: Obwohl immer noch winzig, lassen sich die in diesem Fall auch farbig markierten Objekte unter dem 3D-fähigen Konfokalmikroskop verfolgen, und die Zugabe weiterer Kügelchen hat sich bereits als künstliche Nachahmung einer Abkühlung bewährt, da die Lösung schließlich in einen gelartigen Zustand übergeht. Ähnliches passiert, wenn Glas in seinem eigentlich flüssigen Zustand erstarrt.

Kolloidales Gel als Glasmodell | Mit kolloidalen Partikeln in einer Lösung, die unter bestimmten Bedingungen zu einem Gel erstarren, haben Forscher in Bristol das Innenleben von Glasstrukturen untersucht. Sie bestätigten eine These aus den 1950er Jahren, wonach sich die entstehenden Netzwerke selbst im Wege stehen, eine komplette Gitterstruktur auszubilden.
Akribisch verfolgten die Forscher also das Schicksal und die Wanderbewegungen ihrer Atomvertreter in ihrer Labor-Glasschmelze. Und tatsächlich beobachteten sie die postulierten voneinander zunächst isoliert entstehenden Grundnetze – darunter auch Ikosaeder. Aber nicht nur: Die Wissenschaftler entdeckten auch andere Strukturen, die keine fünfzählige Symmetrie aufweisen und somit durchaus als Kristallgittervorstufen geeignet wären. Doch reichen die vorhandenen Störelemente ganz offenbar aus, um deren komplette räumliche Ausbreitung zu verhindern.

Frank hatte also Recht, das habe man nun experimentell bewiesen, so Royall und seine Kollegen. Darüber hinaus aber hoffen die Forscher, einen großen Schritt in der Materialwissenschaft absolviert zu haben. Denn sollte es gelingen, in geeigneten Schmelzen gezielt die Bildung von Ikosaedern oder anderen Strukturen mit fünfflächiger Symmetrie auszulösen, eröffneten sich ganz neue Herstellungsmethoden für industriell interessante amorphe Feststoffe.

Ein Beispiel wären metallische Gläser – aus Metalllegierungen bestehende Verbindungen, die im Vergleich zu Metallen mit ordentlichem Gitter den Vorteil haben, weniger anfällig für Materialversagen zu sein: Bei zu Grunde liegenden festen Kristallstrukturen können sich unter starker Belastung einzelne Schichten gegeneinander verschieben und so Brüche im Material hervorrufen. Ohne durchgehende innere Struktur wie bei einem Glas bleibt ein solcher Aussetzer räumlich begrenzt. Auch sonst glänzen diese Werkstoffe mit begehrten Eigenschaften, doch beschränkt sich ihre Herstellung bislang noch überwiegend auf dünne Folien. Vielleicht bringen die Ergebnisse aus Bristol hier neue Ansätze.

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