Glasbildung durch amorphe Ordnung
In einem soeben erschienenen Beitrag im führenden naturwissenschaftlichen Fachjournal "Science" l?sen Forscher der Universit?ten Augsburg und Paris einen lang anhaltenden Streit über die wahre Natur des ?bergangs von der Flüssigkeit in das feste Glas und best?tigen die Theorie, wonach es sich um ein
Augsburg/Paris/AL/PL/KPP - Obwohl Gl?ser zu den ?ltesten vom Menschen genutzten Materialien geh?ren, sind die molekularen Vorg?nge beim ?bergang von der Flüssigkeit in das feste Glas noch weitgehend unverstanden. In ihrem soeben in "Science" erschienenen Beitrag "Fifth-order susceptibility unveils growth of thermodynamic amorphous order in glass-formers" l?sen nun die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Alois Loidl und PD Dr. Peter Lunkenheimer (beide Universit?t Augsburg) zusammen mit Kollegen aus Paris eine alte Streitfrage: Glas ist nicht einfach eine "eingefrorene" Flüssigkeit, die bei Abkühlung immer z?her wird, Glas entsteht vielmehr durch einen sogenannten thermodynamischen Phasenübergang, was bedeutet: Das Abkühlen der Glasschmelze geht einher mit einer zunehmend gemeinsamen ("kooperativen") Bewegung, was schlie?lich zu sogenannter amorpher Ordnung und damit zur Erstarrung führt. Den Nachweis dieses Molekülverhaltens konnten die Wissenschaftler aus Augsburg und Paris dadurch erbringen, dass es ihnen gelungen ist, die Reaktion glasbildender Flüssigkeiten auf ultrastarke elektrische Wechselfelder mit bisher nicht erreichter Pr?zision zu messen. Gl?ser haben eine immense technologische Bedeutung und sind nahezu allgegenw?rtig in unserem t?glichen Leben - von klassischen Anwendungsfeldern wie Fenstern oder Beh?ltern bis hin zu Glasfasern zur optischen Datenübertragung oder zu neuartigen Elektrolytmaterialien in Akkumulatoren oder Brennstoffzellen. Auch die gro?e Gruppe der Polymere oder 威尼斯赌博游戏_威尼斯赌博app-【官网】lische Gl?ser - neuartige Materialien mit gegenüber herk?mmlichen 威尼斯赌博游戏_威尼斯赌博app-【官网】len weit überlegenen Werkstoffeigenschaften - geh?ren physikalisch zur Gruppe der Gl?ser. In den meisten F?llen werden Gl?ser durch einfaches Abkühlen aus der Schmelze hergestellt. Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten erstarren Glasschmelzen aber nicht schlagartig, was typisch für einen sogenannten Phasenübergang w?re, sondern kontinuierlich. Diese langsame ?nderung der Viskosit?t wird seit Jahrhunderten von Glasbl?sern bei der Herstellung von Glasobjekten genutzt, sie spielt darüber hinaus z. B. auch bei der Verarbeitung vieler Kunststoffe eine wichtige Rolle. Konventionelle Fest-flüssig-Phasenüberg?nge sind theoretisch gut verstanden und erkl?rt, ganz im Gegensatz zum Glasübergang, dessen Ursache seit langem kontrovers diskutiert wird: Aufgrund der erw?hnten Besonderheit der Glasbildung, des nicht-schlagartigen Erstarrens also, wird dieser Flüssig-fest-?bergang von einigen theoretischen Physikern als ein von Phasenüberg?ngen grunds?tzlich zu unterscheidendes, rein dynamisches Ph?nomen betrachtet, bei dem die Molekülbewegung bei tiefen Temperaturen kontinuierlich zum Erliegen kommt. Glas erscheint in dieser Theorie also einfach als Flüssigkeit mit extrem hoher Viskosit?t. Eine andere theoretische Sichtweise erkl?rt den Glasübergang aber durchaus auf der Basis eines, wenn auch unkonventionellen, Phasenübergangs, der letztlich zu sogenannter "amorpher Ordnung" führt, wobei die Moleküle in zwar ungeordneten, aber wohldefinierten Positionen einfrieren. Der meist beobachtete instantane, also schlagartige ?bergang von einer Flüssigkeit in den kristallinen Festk?rper geht einher mit einer für einen Phasenübergang typischen Zunahme der Kooperativit?t der wechselwirkenden Atome oder Moleküle. Durch hochpr?zise Experimente bei Spannungen bis zu einigen 1000 V an unterschiedlichen glasbildenden Flüssigkeiten ist es den Physikern an der Universit?t Augsburg in Zusammenarbeit mit ihren franz?sischen Kollegen Fran?ois Ladieu und Giulio Biroli (beide Université Paris-Saclay) und Jean-Philippe Bouchaud (Capital Fund Management, Paris) nun gelungen, eine solche phasenübergangstypische Ver?nderung der Kooperativit?t der wechselwirkenden Moleküle auch bei der Glasbildung nachzuweisen. In diesen Experimenten wurde die fünfte Oberwelle eines angelegten Wechselfeldes bei der glasigen Erstarrung detektiert, und daraus lie? sich die wachsende Zahl sich kooperativ bewegender Moleküle bestimmen. "Unser experimenteller Befund favorisiert also deutlich theoretische Modelle,?die den?Glasübergang als Phasenübergang beschreiben", so Alois Loidl. Bei thermodynamischen Phasenüberg?ngen erwartet man theoretisch "fraktale Dimensionen" der kooperativen Molekülregionen, will hei?en: Man erwartet, dass diese Regionen geometrische Objekte mit einer Dimension sind, die kleiner ist als die des Raumes. ?berraschenderweise fanden die Augsburger und Pariser Physiker nun allerdings, dass sich am Glasübergang durchaus dreidimensionale, also nicht-fraktale Molekülregionen ausbilden. Dies best?tigt Vorhersagen der an diesem Projekt beteiligten theoretischen Physiker Biroli und Bouchaud über die unkonventionelle Natur des der Glaserstarrung zugrundeliegenden Phasenübergangs. "Wir haben ein Ph?nomen, das seit Jahrtausenden auf empirischer Basis genutzt wird, aber bisher nicht wirklich verstanden war, nun auf mikroskopischer Ebene entschlüsselt", resümiert Lunkenheimer und ist sich sicher, dass dies entscheidend zu einem tieferen Verst?ndnis von so unterschiedlichen Materialien wie Silikatgl?sern, Polymeren, metallischen Gl?sern und sogar von diversen Arten biologischer Materie beitragen werde. Die Untersuchungen des Glasübergangs am Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus des Instituts für Physik der Universit?t Augsburg werden im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschergruppe "Nonlinear response to probe vitrification" durchgeführt. ? S. Albert, Th. Bauer, M. Michl, G. Biroli, J.-P. Bouchaud, A. Loidl, P. Lunkenheimer, R. Tourbot, C. Wiertel-Gasquet, F. Ladieu: "Fifth-order susceptibility unveils growth of thermodynamic amorphous order in glass-formers ". Science, 10 Juni 2016,
http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf3182
?Eine alte Kontroverse
Ein rein dynamisches Ph?nomen oder ein Phasenübergang?
Der Glasübergang ? ein Phasenübergang, wenngleich ein unkonventioneller
Dreidimensionale statt fraktaler Molekülregionen
Originalbeitrag: