Robert Klatt
Walter Kauzmann hat 1948 postuliert, dass es ideales Glas geben muss, das zugleich flexibler und bruchfester ist als herkömmliches Glas . Nun wurde die Struktur des Materials mit dem vermeintlich paradoxen Zustand entschlüsselt.
Eugene (U.S.A.). Walter Kauzmann, ein Chemiker von der Princeton University, hat 1948 postuliert, dass Glas bei einer extrem niedrigen Temperatur einen Idealzustand einnehmen kann, in dem sich die Moleküle so dicht beieinander befinden, dass das Material sich nahezu, wie ein kristalliner Feststoff verhält. Das Glas wäre in diesem Idealzustand deutlich bruchfester und zugleich flexibler und hätte einen höheren Schmelzpunkt.
Weil die Struktur dieses idealen Glases nicht entschlüsselt werden konnte, haben andere Wissenschaftler 2023 postuliert, dass keine weitere Forschung am sogenannten Kauzmann-Paradox mehr stattfinden sollte. Forscher der University of Oregon (UO) haben nun die Struktur des ultrastabilem „idealen“ Glases entschlüsselt und eine Molekülstruktur, die der Theorie von Kauzmann entspricht, simuliert.
„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.“
Wie die Forscher erklären, besteht herkömmliches Glas aus ungeordneten Molekülen, die sich ähnlich wie eine Flüssigkeit verhalten. In der Physik bezeichnet man dies als Nichtgleichgewichtssystem, also ein System, das sich niemals in einem Gleichgewicht befinden wird, unabhängig davon, wie lange man wartet. Ein kristalliner Feststoff, etwa ein Diamant, besteht hingegen aus Molekülen, die sich in einem ausbalancierten Muster befinden. Das ideale von Kauzmann postulierte Glas würde diese beiden Zustände vereinen. Es erscheint somit paradox zu sein und nicht existieren zu können.
„Wir glauben, wir haben eine Auflösung gefunden, indem wir zeigen, dass so ein Zustand gar nicht paradox ist. Tatsächlich können wir ihn konstruieren.“
Um das scheinbar paradoxe Material zumindest virtuell erzeugen zu können, haben die Forscher zunächst den Radius der einzelnen Partikel vergrößert oder verkleinert. Sie konnten die Partikel in ihrem simulierten 2-D-System somit deutlich enger zueinander positionieren. Das simulierte Modell hat exakt die von Kauzmann postulierten Eigenschaften, ist also sowohl flexibler als auch bruchfester als herkömmliches Glas.
„Die Eigenschaften dieser Systeme sind interessant und seltsam. Sie verhalten sich nicht genau wie Kristalle oder gewöhnliche Gläser.“
In der Realität kann eine solche Struktur mit den bestehenden thermischen und mechanischen Prozessen bisher noch nicht umgesetzt werden. Die Wissenschaftler wollen deshalb in weiteren Studien mit Simulationen analysieren, wie sich das ideale Glas von herkömmlichem Glas unterscheidet, und ausprobieren, ob sie das ideale Glas auch in einem 3-D-System virtuell erzeugen können.
Quellen:
Artikel im Fachmagazin Chemical Reviews, doi: 10.1021/cr60135a002
Artikel im Fachmagazin Acta Materialia, doi: 10.1016/j.actamat.2023.118994
Pressemitteilung der University of Oregon (UO)
Studie im Fachmagazin Physical Review Letters, doi: 10.1103/vldy-r77w
