Bei der Entstehung von Glas haben kleine Unterschiede eine große Wirkung

9. August 2017, 09:48
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Physiker beobachten, dass die Größe der Teilchen für die Glasbildung eine wichtige Rolle spielt

Düsseldorf – Wenn Materialien eine innere Ordnung besitzen, dann spricht man in der Regel von Kristallen. Kochsalz ist so ein Kristall, aber auch Metalle oder Schnee verfügen über kristalline Strukturen. Die Anordnung der Moleküle von sogenannten amorphen Festkörpern ist dagegen völlig zufällig. Ein klassisches Beispiel für eine amorphe Substanz ist Glas – und obwohl das Material seit Jahrtausenden bekannt ist, sind viele seiner Eigenschaften immer noch ein Rätsel.

Diesen Geheimnissen ist eine Gruppe von Physikern um Stefan Egelhaaf von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) auf der Spur. Die Forscher fanden nun gemeinsam mit Kollegen von der Universidad de Guanajuato in Mexiko heraus, dass die Größe der Teilchen für die Glasbildung eine bedeutende Rolle spielt.

Kleine Unterschiede, große Wirkung

Als Untersuchungsobjekte dienten so genannte kolloidale Gläser. Ein Kolloid ist eine Mischung fester Teilchen – in diesem Fall kleiner Plastikkügelchen im Mikrometerbereich – in einer Flüssigkeit. Mit zunehmender Konzentration nimmt die Beweglichkeit der Kügelchen immer weiter ab, bis sie sich schließlich verfestigen. Dabei stellten die Wissenschafter fest, dass die Kügelchen eine regelmäßige Kristallstruktur bilden, wenn sie alle identisch groß sind. Variiert die Größe jedoch nur um wenige Prozent, so stört dies die Ordnung und ein glasartiger Körper entsteht.

Bei ihren Analysen haben die Physiker die Konzentration der Kügelchen variiert und dann ihre jeweilige Größe und Bewegung bestimmt. Die Prozesse bei der Verfestigung beobachten die Forscher mittels optischer Methoden. So konnten sie mit einem konfokalen Lasermikroskop live abbilden, wie sich die einzelnen Teilchen bewegen. Die untersuchten Vorgänge bestimmen beispielsweise, ob sich eine kolloidale Suspension wie ein Festkörper oder wie eine Flüssigkeit verhält.

Flüssig und fest

Die im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlichten Ergebnisse sind auch für die Herstellung von Farben wichtig. "Eine Dispersionsfarbe ist eine kolloidale Suspension, die neben ihrer Farbe eine weitere wichtige Eigenschaft besitzen muss: Während sie mit dem Pinsel auf die Wand gestrichen wird, muss sie gut fließen und sich deshalb wie eine Flüssigkeit verhalten. Nachdem sie aufgebracht wurde, sollte sie aber einem Festkörper gleichen und nicht die Wand hinunter laufen", erklärt Egelhaaf. Diese Eigenschaften hängen entscheidend von der Größenverteilung und Konzentration der Farbpartikel ab. (red, 9.8.2017)

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