Ein Glastropfen, kaum größer als eine Kaulquappe, hält einem harten Hammerschlag mühelos stand und übersteht in Versuchen sogar den Einschlag einer Gewehrkugel. Bricht man jedoch das haardünne Schwänzchen am hinteren Ende ab, zerfällt derselbe Tropfen im selben Augenblick zu feinem Pulver. Diese sogenannten Bologneser Tränen gehören zu den verblüffendsten Objekten der Glasgeschichte und stellten Gelehrte fast vierhundert Jahre vor ein Rätsel. Ihr Geheimnis steckt vollständig im Inneren des Glases.
Ein Schmied lässt einen glühenden Glastropfen in einen Eimer mit kaltem Wasser fallen, und wenige Sekunden später hält er ein kleines, glasklares Gebilde in der Hand, das an eine Kaulquappe mit langem, dünnem Schwanz erinnert. Legt man den runden Kopf dieses Tropfens auf einen Amboss und schlägt mit voller Kraft einen Hammer darauf, geschieht nichts. Das Glas bleibt heil, während der Hammer förmlich abprallt. Wer den Vorgang zum ersten Mal sieht, hält ihn kaum für möglich. In Hochgeschwindigkeitsaufnahmen haben Forscher sogar gezeigt, dass der Kopf dem Aufprall einer Gewehrkugel widersteht. Genau dieser Kopf aber steht in einem verblüffenden Gegensatz zum dünnen Ende: Ein kaum sichtbarer Kratzer am Schwanz reicht aus, um das gesamte Objekt schlagartig in Pulver zu verwandeln. Diese Bologneser Tränen führen damit zwei Eigenschaften zusammen, die einander vollständig zu widersprechen scheinen.
Der Fachbegriff für diese Glasgebilde lautet je nach Herkunft unterschiedlich: Im Englischen sind sie als Prince-Rupert-Tropfen bekannt, im deutschsprachigen Raum als Bologneser Tränen, Batavische Tränen oder schlicht als Glasträne. Entstanden sind sie nicht in einem Hightech-Labor, sondern beim ganz gewöhnlichen Umgang mit heißem Glas, und schon Glasmacher früherer Jahrhunderte kannten den seltsamen Effekt. Nachweisbare Berichte über solche Tropfen gibt es aus Mecklenburg bereits aus dem Jahr 1625. Das Besondere ist, dass hier kein exotischer Werkstoff und keine geheime Zutat im Spiel sind, sondern gewöhnliches Glas, das lediglich auf eine bestimmte Weise abgekühlt wurde. Wer versteht, warum eine solche Glasträne den Hammer aushält und trotzdem an ihrer schwächsten Stelle zerbricht, versteht zugleich das Grundprinzip, auf dem heute gehärtetes Glas in Autoscheiben, Smartphones und Duschwänden beruht.
Die Vorführung mit den Bologneser Tränen folgt seit Jahrhunderten demselben Ablauf und wirkt jedes Mal wie ein Zaubertrick. Der bauchige Kopf des Tropfens erträgt enorme Kräfte: Messungen zufolge hält er einer Druckbelastung von mehreren Hundert Kilonewton stand, was dem Gewicht mehrerer Autos entspricht. Man kann ihn zwischen Stahlbacken pressen oder einen Hammerschlag darauf niedergehen lassen, ohne dass sich auch nur ein Riss zeigt. Sobald jedoch das dünne Schwänzchen beschädigt wird, etwa mit einer Zange, einem Fingernagel oder einem beherzten Biegen, zerspringt der gesamte Tropfen nicht einfach, sondern zerfällt regelrecht explosionsartig zu einem feinen Granulat. Nichts an der Form deutet vorher darauf hin, dass in diesem harmlosen Glasstück eine solche Kraft schlummert. Genau dieser Widerspruch hat die Tropfen über Generationen hinweg zu einem beliebten Anschauungsobjekt gemacht.
Ihre Entstehung ist denkbar einfach. Man erhitzt Glas, bis es zähflüssig wird, und lässt einen Tropfen geschmolzenes Glas in kaltes Wasser fallen. Beim Aufprall zieht sich der Tropfen zu seiner typischen Form mit rundem Kopf und langem, auslaufendem Schwanz zusammen. Entscheidend ist, was in den folgenden Sekunden im Inneren geschieht. Die äußere Schicht kühlt im Wasser schlagartig ab und erstarrt, während der Kern noch heiß und flüssig ist. Wenn dieser Kern anschließend nachträglich abkühlt, will er sich zusammenziehen, wird aber von der bereits erstarrten Hülle daran gehindert. Dadurch entsteht ein dauerhaftes Kräftespiel: Die Oberfläche steht unter starker Druckspannung, das Innere unter ebenso starker Zugspannung. Genau diese eingefrorene innere Spannung macht die Glasträne zu dem, was sie ist, und sie bleibt über Jahre unverändert im Glas gespeichert.
Die Antwort liegt in der Verteilung dieser Spannungen. Die Druckspannung an der Oberfläche des Kopfes ist außerordentlich hoch und erreicht Werte von bis zu 700 Megapascal, allerdings nur in einer hauchdünnen Schicht von etwa einem Zehntel des Kopfdurchmessers, wie Messungen mit einem Polariskop gezeigt haben. Ein Riss, der von außen entsteht, läuft parallel zu dieser gepressten Oberfläche und dringt nicht in das Innere vor. Deshalb hält der Kopf selbst einem Hammerschlag stand. Am Schwanz jedoch liegt die unter Zugspannung stehende Kernzone dicht unter der Oberfläche. Wird der Schwanz beschädigt, findet ein Riss sofort den Weg in diese gespannte Zone. Dort rast er mit einer kritischen Geschwindigkeit von bis zu 1.900 Metern pro Sekunde, also fast 6.800 Kilometern pro Stunde, durch das Glas, spaltet sich immer wieder auf und entlädt die gespeicherte innere Spannung in einem einzigen, zerstörerischen Augenblick.
Bekannt wurde das Phänomen in England durch Prinz Rupert von der Pfalz, der die Tropfen im Jahr 1660 nach Großbritannien brachte. Er übergab sie König Karl II., der sie 1661 an die kurz zuvor gegründete Royal Society zur wissenschaftlichen Untersuchung weiterreichte. In den vornehmen Kreisen der Zeit wurden die Prince-Rupert-Tropfen rasch zu einem beliebten Salontrick, über den man Bescheid wissen musste. Der Naturforscher Robert Hooke beschrieb sie 1665 in seinem berühmten Werk Micrographia und legte bereits erstaunlich genau dar, wie die Tropfen entstehen und warum sie zerspringen, auch wenn ihm die spätere Theorie der Rissausbreitung noch fehlte. Wie stark die frühen Untersuchungen der Royal Society das Interesse prägten, zeigt sich bis heute. Erst im 20. Jahrhundert, mit den Arbeiten zur Bruchmechanik und schließlich mit Hochgeschwindigkeitskameras, ließ sich vollständig klären, was beim Zerfall im Bruchteil einer Sekunde tatsächlich abläuft.
So kurios die Bologneser Tränen wirken, so folgenreich war ihr Studium. Das Prinzip, Glas durch schnelles Abkühlen unter dauerhafte Druckspannung zu setzen, steckt hinter dem gehärteten Glas, das heute überall verbaut ist. Autoscheiben, die bei einem Bruch in stumpfe Krümel statt in scharfe Splitter zerfallen, Smartphone-Displays und stabile Glastüren beruhen auf genau diesem Effekt, der erstmals an den seltsamen Glastropfen beobachtet wurde. Ein passendes Patent für gehärtetes Glas wurde bereits 1874 erteilt, und die Forschung an besonders widerstandsfähigen Glassorten geht bis heute weiter. Selbst in der Natur tauchen ähnliche Gebilde auf, wenn flüssige Lava in feine Fäden und Tropfen zerreißt. Am Ende bleibt das Bild eines winzigen Objekts, das einen Hammer aushält und doch an einem einzigen Kratzer zerbricht, und das über Jahrhunderte gezeigt hat, wie viel Kraft in unsichtbarer Spannung stecken kann.
Applied Physics Letters, On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops; doi:10.1063/1.4971339
Notes and Records of the Royal Society of London, Prince Rupert's Drops; doi:10.1098/rsnr.1986.0001