Der Struktur nichtkristalliner Materialien auf der Spur

Uralt und doch ein fortschrittlicher Werkstoff – Glas bietet unermesslich viele Ein-satz-möglichkeiten. Als alltäglicher Gebrauchs-gegenstand ist Glas für uns unver-zichtbar. Aber auch in der Kunst, Architektur, Optik und Elektronik bis hin zur Raumfahrt haben glasartige Materialien ihren Platz gefunden. In einem Sonderfor-schungsbereich an der Universität Bonn entlocken Forscher seit 1995 dem Glas seinen räumlichen Aufbau. Kommende Woche treffen sich 120 Experten für glasartige Materialien in Bonn, um sich einen Überblick über den neuesten Stand der Forschung auf diesem Gebiet zu verschaffen.

Wann Glas zum ersten Mal durch Menschenhand erschaffen worden ist, weiß keiner. Schon in Urzeiten entstand bei Vulkanausbrüchen beim raschen Abkühlen der Lava ein natürliches Glas, der Obsidian. Unsere Vorfahren in der Jungsteinzeit fertigten aus die-sem Schmuck, Pfeil- und Speerspitzen. „Bei den Römern wurde Glas mit Gold aufgewo-gen“, berichtet Professor Dr. Werner Mader vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn. Heute wäre die moderne Kommunikationsgesellschaft ohne Glas nicht denkbar. Daten werden über Glasfasern, so dünn wie ein Menschenhaar, in einem ra-santen Tempo geschickt. Im Internet surfen, mit dem Ausland telefonieren und das Ange-bot des Kabelfernsehens genießen – alles ist durch Glasfaserkabel möglich.

Für viele Anwendungen, besonders im High-Tech-Bereich, sind Gläser mit bestimmten Eigenschaften erforderlich. „Aber die Eigenschaften eines Festkörpers fallen nicht vom Himmel, sondern sind wesentlich in dessen Struktur begründet“, erklärt Professor Mader. In Kristallen herrscht Ordnung. Alle Bausteine haben ihren festen Platz in einem regelmä-ßigen Gitter – so auch im Quarz, Hauptbestandteil der meisten Sandarten. Durch starkes Erhitzen wird aber das Gitter dieses kristallinen Siliziumdioxids zerstört und baut sich beim schnellen Abkühlen der Schmelze nicht wieder auf. Es ist ein Glas entstanden. In diesem Quarzglas, Prototyp eines Glases, verknüpfen sich die kleinen Baueinheiten aus Silizium und Sauerstoff ohne feste Regeln und bilden so ein unregelmäßiges Netzwerk. Zusätze, wie Kalk und Soda in unserem Fensterglas, lockern das Netzwerk auf. „Die Ei-genschaften eines Glases können so gezielt modifiziert werden“, sagt Professor Mader. Aber selbst Wissenschaftlern ist der exakte räumliche Aufbau in einem Glas ein Rätsel. „Unklar ist das Verknüpfungsmuster der Bausteine. Dieses variiert gar etwas in ein und demselben Glaskörper von Ort zu Ort“, erklärt Mader. Moderne Methoden, die hervorra-gend geeignet sind die Struktur in einem Kristall aufzuklären, scheitern bisher gerade an der Unordnung in einem Glas.

Der Sonderforschungsbereich 408 soll Licht in das Geheimnis Glas bringen. Wie ordnen sich die kleinen Bausteine innerhalb kurzer Distanzen räumlich an? Zur Zeit stellen sich an Instituten der Universität Bonn sowie der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Forscher in insgesamt 17 wissenschaftlichen Teilprojekten dieser kniffligen Frage. Als erstes er-schaffen die Chemiker neue Silikatgläser sowie weitere glasartige Materialien aus ande-ren ein Netzwerk aufbauenden Elementen, unter anderem Phosphatgläser. Und da wird es ganz bunt im Labor. Kleine positiv geladene Teilchen, sogenannte Kationen, eingebaut in einem Gerüst aus Phosphor und Sauerstoff verleihen dem Glas Farbe. Grün oder blau – ein wertvoller Hinweis auf den strukturellen Aufbau. Jedes einzelne Glas hat seine eige-ne Struktur. Da müssen die gängigen Methoden zur Strukturaufklärung eines Kristalls den Wissenschaftlern weiterhelfen. Zudem kreieren die Forscher mit viel Tüftelei und hoher Mathematik rechnergestützte Strukturmodelle mit einer Größe von einigen Tausend bis zu einigen Millionen Atomen. „Was im Labor gar nicht möglich ist, in Sekundenbruchteilen einen Stoff auf mehrere Tausend Grad aufzuheizen und ihn dann ebenso schnell wieder abzukühlen, gelingt im Computer“, erklärt der Sprecher des Sonderforschungsbereichs Professor Dr. Johannes Beck vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn.

Die Theorie hilft den Forschern, die Strukturverhältnisse in glasartigen Materialien besser zu verstehen. Professor Mader sagt: „Wir sehen heute schon ein bisschen klarer – das war ein langer Weg.“ Wer die Struktur besser versteht, kann auch Glaseigenschaften im Hinblick auf deren gewünschten Einsatzbereich verbessern. „Die meisten Innovationen kommen aus der Grundlagenforschung“, sagt Mader. So fand eine Sorte glasartiger Ke-ramiken, richtige High-Tech-Gläser mit phantastischen Eigenschaften, hier in Bonn ihren Ursprung. Sie sind selbst bei extrem hohen Temperaturen stabil und mechanisch belast-bar. Geflechte aus langen Fasern dieser Materialien sind die Basis leichter Werkstoffe von Morgen, die sich nicht nur für die Raumfahrt eignen.

Von Dienstag, 8. April, bis Samstag, 12. April, tagt die „Crème de la crème“ der Glasforschung auf Einladung des Sonderforschungsbereichs 408 im Hauptgebäude der Univer-sität Bonn. 120 Experten aus aller Welt – von Ägypten bis zu den USA – werden daran teilnehmen.
Ansprechpartner:
Professor Dr. Johannes Beck
Sprecher des Sonderforschungsbereichs 408
Telefon: 0228/73-2708
E-Mail: j.beck@uni-bonn.de
Professor Dr. Werner Mader
Institut für Anorganische Chemie der Uni Bonn
Telefon: 0228/73-4203
E-Mail: mader@uni-bonn.de