Der Glasübergang – eine Herausforderung für die Materialphysik#

Von


Univ.-Doz. Dr. rer.nat Wolfgang Sprengel

Institut für Materialphysik


Wolfgang Sprengel
Wolfgang Sprengel


© Forschungsjournal WS 07/08


zeit-differenziellen Dilatometrie
Abb. 1: Detail der experimentellen Anordnung zur zeit-differenziellen Dilatometrie. Im Zentrum des Bildes ist die Probe (hier eine Polymerprobe) zu erkennen, deren Längenänderung nach raschen Temperaturwechseln zwischen den beiden quadratischen, planparallelen und verspiegelten Flächen mit einem inkrementellen Zweistrahl-LASER-Interferometer mit einer Genauigkeit von 30 nm differenziell vermessen wird. Die Probenkanten sind mit durchgezogenen Linien und die LASER-Reflexionspunkte durch Kreise markiert (Probenlänge 20 mm). Im unteren Bildteil sind Teile eines Lampenofens für die Heizung zu erkennen. (Quelle: W. Sprengel)
© Forschungsjournal WS 07/08)

Eine große Herausforderung in der Festköper- und Materialphysik ist bis heute das Verständnis des sogenannten Glasübergangs. Beim Glasübergang geht die Struktur eines amorphen Festkörpers in die Struktur einer unterkühlten Schmelze über, und er ist dadurch charakterisiert, dass die Viskosität mit steigender Temperatur in einem relativ schmalen Temperaturbereich (20 bis 30 K) um mehrere Größenordnungen abnimmt und das Material bei weiterer Erwärmung zu fließen beginnt; ein Vorgang, den die Glasbläser konventioneller Silikatgläser sich schon seit jeher zu Nutze machen. Das Phänomen des Glasübergangs lässt sich für unterschiedliche Materialien sehr gut durch thermophysikalische Methoden, zum Beispiel durch die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme charakterisieren. Noch ziemlich unklar ist es jedoch bisher, welche Prozesse dabei auf atomarer Ebene ablaufen bzw. wie der Glasübergang aus atomistischer Sicht beschrieben werden kann.



Bei den Untersuchungen des Glasübergangs amorpher Materialien, die am Institut für Materialphysik der TU Graz durchgeführt werden, wird nun ein spezielles Augenmerk auf die atomaren Prozesse des Glasübergangs gelegt. Für diese Untersuchungen wird die experimentelle Methode der zeitabhängigen Dilatometerie angewandt.

Dabei handelt es sich um die zeitabhängige Messung der Längenänderung einer Probe bis in den Nanometerbereich nach raschen Temperaturwechseln. (Abb. 1) Die Methode wurde an der Universität Stuttgart entwickelt und wird nun am Institut für Materialphysik eingesetzt und weiterentwickelt.

In Zusammenarbeit mit Gruppen aus Beijing, Stuttgart und Ulm wurden kürzlich wichtige Erkenntnisse speziell im Hinblick auf die Änderung der atomaren Beweglichkeiten freier Volumen (Kinetik) in metallischen Massivgläsern in der Nähe des Glasübergangs gewonnen, die wesentlich zum Verständnis der atomaren Prozesse beim Glasübergang beitragen können und die in einer anerkannten amerikanischen Fachzeitschrift veröffentlicht wurden [1]. Obwohl der amorphe Zustand ein metastabiler Zustand ist, also bei genügend hohen Temperaturen irreversibel in den kristallinen Zustand übergeht, gibt es in der Nähe des Glasübergangs reversible atomare Prozesse, die mit der Bildung und dem Ausheilen freier atomarer Plätze in Verbindung gebracht werden können. Dieses Verhalten kann in Analogie zur Bildung thermischer Leerstellen in kristallinen Metallen gesehen werden.


Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung neuer Hochleistungsmaterialen. Es gibt erste Ergebnisse, dass sich selbst Stähle unter bestimmten Bedingungen in den amorphen Zustand bringen lassen [2]. Auch für so wichtige Materialklassen wie Polymere oder Proteine, die auch in amorphen Strukturen vorliegen, sind diese Ergebnisse von grundlegender Bedeutung.


Am Institut für Materialphysik sind weitere Arbeiten zum Glasübergang speziell auch in nichtmetallischen amorphen Strukturen geplant, die zum Teil auch mit internationalen Kooperationspartnern, z.B. aus Japan, durchgeführt werden. Das Institut ist auch am TU Graz-Forschungsschwerpunkt Advanced Materials Science beteiligt.


[1] F. Ye, W. Sprengel, R.K. Wunderlich, H.-J. Fecht, H.-E. Schaefer, Reversible atomic processes as basic mechanisms of the glass transition, Proceedings of the National Academy of Sciences, (PNAS) 104, 12962 (2007); www.pnas.org/cgi/content/short/104/32/12962

[2] Z.P. Lu, C.T. Liu, J.R. Thompson, and W.D. Porter, Structural amorphoussteels, Phys. Rev. Lett. 92, 245503 (2004), http://prola.aps. org/abstract/PRL/v92/i24/e245503