Gläser sind allgegenwärtige Materialien, die in Baumaterialien, Getränkebehältern, Soft-Elektronik und Mobiltelefonbildschirmen zu finden sind. Die Entstehung von natürlich dichtem und steifem Glas erfolgt durch einen Prozess, der als Alterung bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine langsame Umwandlung, die über Jahrtausende bis hin zu Hunderten von Millionen Jahren stattfinden kann und durch die allmähliche Verdichtung und Erstarrung einer Flüssigkeit gekennzeichnet ist, die unter ihren Schmelzpunkt abgekühlt ist.
Im Jahr 2007 fanden Forscher jedoch heraus, dass stabile Gläser auch durch Kondensieren des Materials aus der Dampfphase hergestellt werden können, wobei ein Verfahren namens physikalische Gasphasenabscheidung zum Einsatz kommt. Durch die Gasphasenabscheidung können sich Moleküle, die gerade an der Oberfläche angekommen sind, besser verdichten und dadurch besser gealterte Gläser erzeugen.
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Zahra Fakhraai von der School of Arts & Sciences der University of Pennsylvania in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Brookhaven National Laboratory eine Methode entdeckt, um diesen Alterungsprozess weiter zu beschleunigen, indem es die Grundprinzipien neu definiert, die ihn geleitet haben Bildung von stabilem Glas. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.
„Was wir paradoxerweise herausgefunden haben, ist, dass wir durch die Verwendung eines weichen, flexibleren Substrats während unseres Aufdampfprozesses steifere und dichtere Gläser herstellen können als bisher“, sagt Fakhraai. „Diese Erkenntnisse bieten eine neue Möglichkeit, Glasfolien präzise zu konstruieren und ebnen den Weg für die viel schnellere Herstellung langlebiger Materialien.“
Die Entdeckung kam zufällig zustande, als Peng Luo, ein Postdoktorand der Fakhraai-Gruppe, ermutigt wurde, mit weichen Substraten für die Glasabscheidung zu experimentieren, vor allem aus Neugier, „um zu sehen, ob weichere Substrate Schäden am Material verursachen würden“, sagt er. „Aber was wir sahen, war Glas, das Eigenschaften aufwies, als ob es viele Millionen Jahre gealtert wäre, was weit über das hinausgeht, was bei Methoden mit herkömmlichen starren Substraten beobachtet werden kann.“
Luo erklärt, dass frühere Studien die Abscheidungsrate und die Substrattemperatur nutzten, um die Anordnung der Oberflächenmoleküle nach ihrer Landung auf dem Substrat zu steuern, und dass bei geeigneten Temperaturen die Ablagerungsrate umso länger ist, je langsamer die Ablagerungsrate ist, desto mehr Zeit haben die gelandeten Moleküle, sich anzupassen hin zu einer stabileren Struktur, bevor sie von den einströmenden Molekülen vergraben und „eingefroren“ werden.
„Es handelt sich im Grunde um eine ‚Selbstorganisation‘ der Oberflächenmoleküle, die durch ihre eigene Beweglichkeit bei einer bestimmten Temperatur bestimmt wird, und wir haben nicht viel Kontrolle darüber, wie langsam wir uns ablagern können“, sagt er. „Unsere Erkenntnis, dass ein weiches Substrat den abgeschiedenen Glasfilm dichter machen kann, deutet darauf hin, dass die Substratelastizität den Montageprozess der Oberflächenmoleküle beeinflussen kann, und dass dies daher als neue Dimension zur Steuerung der Struktur und Eigenschaften von Glasfilmen genutzt werden kann.“ ein viel größerer Bereich, der vorher nicht zugänglich war.“
Durch den Einsatz weicher Substrate wie Polydimethylsiloxan zeigte das Team, dass es möglich ist, die stabile Glasbildung deutlich zu beschleunigen und ein Material mit einer um 2–2,5 % höheren Dichte als herkömmliche flüssigkeitsgehärtete Gläser und bis zu 1 % größer als jedes andere herzustellen gemeldet stabiles Glas.
Luo fügt hinzu, dass ein weiterer bemerkenswerter Befund darin bestehe, dass das von ihnen abgeschiedene Molekül nur einen Nanometer lang sei; Während der Abscheidung können die Oberflächengleichgewichtsprozesse jedoch über eine beträchtliche Distanz, gemessen etwa 200 Nanometer, durch das weiche Substrat beeinflusst werden. Dieser Abstand ist bemerkenswert, da er weit über das hinausgeht, was auf der Grundlage aktueller Glastheorien zu erwarten wäre, und eine Herausforderung für das bestehende Verständnis darstellt.
„Dieser Effekt kann mit einem Telefonspiel in einem mit 200 Leuten gefüllten Auditorium verglichen werden, aber irgendwie, ganz geheimnisvoll, wird die Botschaft perfekt und ohne Unterbrechung kommuniziert“, sagt Fakhraai. „Der Einfluss des weichen Substrats über eine so große Entfernung deutet auf eine Form der Kommunikation oder Interaktion über große Entfernungen auf der Oberfläche hin, die noch nicht vollständig verstanden ist und die wir in zukünftigen Forschungen untersuchen möchten.“
Mehr Informationen:
Peng Luo et al., Hochdichte, stabile Gläser auf weichen Substraten, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01828-w