Forscher knacken Struktur von ultra-stabilem „idealen” Glas

1948 veröffentlichte der Chemiker Walter Kauzmann von der Princeton University einen Fachartikel zur Natur des „gläsernen Zustands“. Darin stellte er die Theorie auf, dass Glas bei extrem niedrigen Temperaturen in einen Idealzustand gelangen würde. Die Moleküle wären so eng beieinander wie nur möglich, und das Material würde sich dann beinahe wie ein kristalliner Feststoff verhalten. Das bedeutet: höherer Schmelzpunkt, Flexibilität und außerordentliche Bruchfestigkeit. In der Natur kommt so ein Material nicht vor. 

2023 hatte ein brasilianisch-US-amerikanisches Forschungsteam sogar postuliert, dass die Erforschung dieses Kauzmann-Paradox aufgegeben werden sollte. Doch eine Gruppe von Physikerinnen und Physikern der University of Oregon hat dieses „ideale Glas“ nun nachgebaut – jedenfalls virtuell. In ihrem kürzlich in Physical Review Letters erschienenen Artikel simulierten sie eine Molekülstruktur, wie Kauzmann sie theoretisch beschrieben hatte. 

Amorphe Anordnung

„Wenn man Glas auf molekularer Ebene betrachtet, sieht man, dass die Moleküle amorph angeordnet sind. Sie sind gewissermaßen zufällig. Sie drängen sich alle aneinander, aber es gibt keine Struktur“, erklärt Eric Corwin in einer Aussendung. Der Physiker ist der Leiter des gleichnamigen materialwissenschaftlichen Labors an der University of Oregon und Co-Autor der Studie.

Fensterglas oder Smartphone-Bildschirme bestehen also aus Partikeln, die so ähnlich wie Flüssigkeiten, ungeordnet sind. „Gläser sind das Paradebeispiel für ein Nichtgleichgewichtssystem. Egal, wie lange man wartet, sie erreichen niemals ein Gleichgewicht“, sagt Corwin gegenüber phys.org. In einem kristallinen Feststoff – egal ob Salzkorn oder Diamant – sind Moleküle dagegen in einem ausbalancierten, regelmäßigen, vorhersehbaren Muster angeordnet.

Paradoxe Computersimulation

Der Zustand, den Kauzmann erdacht hatte, vereint diese beiden paradoxen Aspekte. „Wir glauben, wir haben eine Auflösung gefunden, indem wir zeigen, dass so ein Zustand gar nicht paradox ist; tatsächlich können wir ihn konstruieren“, sagt Corwin gegenüber phys.org.

Das Forschungsteam reduzierte oder vergrößerte den Radius einzelner Partikel, um sie innerhalb eines simulierten 2D-Systems enger aneinander zu packen. Wie sie betonen, wird es in der Praxis neue Ansätze brauchen, diese eng gepackten Strukturen zu kreieren. Denn mit herkömmlichen thermischen oder mechanischen Prozessen seien sie nicht realisierbar.

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Seltsame Eigenschaften

„Die Eigenschaften dieser Systeme sind interessant und seltsam. Sie verhalten sich nicht genau wie Kristalle oder gewöhnliche Gläser“, erklärt Corwin. Die Eigenschaften seien jedoch noch nicht annähernd erforscht. 

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Das Forschungsteam will als nächstes untersuchen, wie sich das ideale Glas genau von herkömmlichem unterscheidet. Außerdem wollen sie ihre Simulationen auf den dreidimensionalen Raum ausweiten, wofür es einen weiteren neuartigen Zugang brauche.