Forscher der Universität Bayreuth haben gemeinsam mit Partnern in China und den USA ein Oxidglas mit beispielloser Zähigkeit hergestellt. Unter hohen Drücken und Temperaturen gelang es ihnen, ein Alumosilikatglas zu parakristallisieren: Durch die entstehenden kristallartigen Strukturen entsteht ein äußerst schadenstolerantes Material.
Glas ist in vielerlei Hinsicht ein attraktiver Werkstoff für moderne Technologien. Seine Sprödigkeit, die leicht zu Rissen und Brüchen führt, schränkt jedoch seine Einsatzmöglichkeiten ein. Forschungsansätze, die Zähigkeit von Glas deutlich zu erhöhen und gleichzeitig seine vorteilhaften Eigenschaften beizubehalten, führten größtenteils nicht zu den gewünschten Ergebnissen.
Der neue Ansatz vorgestellt in Naturmaterialien Es beginnt mit Oxidgläsern, die eine eher ungeordnete innere Struktur aufweisen und die am häufigsten kommerziell genutzten Glasmaterialien sind. Aus Alumosilikat, das Silizium, Aluminium, Bor und Sauerstoff enthält, hat das Forscherteam am Bayerischen Forschungsinstitut für Experimentelle Geochemie und Geophysik (BGI) der Universität Bayreuth mithilfe von Hochdruck- und Hochtemperaturtechnologien eine neue Struktur geschaffen.
Bei Drücken zwischen 10 und 15 Gigapascal und einer Temperatur von etwa 1.000 °C gruppieren sich die Silizium-, Aluminium-, Bor- und Sauerstoffatome zu kristallähnlichen Strukturen. Diese Strukturen werden „parakristallin“ genannt, weil sie sich deutlich von einer völlig unregelmäßigen Struktur unterscheiden, aber nicht an die klare regelmäßige Struktur von Kristallen heranreichen.
Sowohl empirische Analysen mit spektroskopischen Techniken als auch theoretische Berechnungen zeigten deutlich diesen Zwischenzustand zwischen Kristallstrukturen und amorpher Unregelmäßigkeit. Auch nach einem Druck- und Temperaturabfall auf normale Umgebungsbedingungen bleiben die parakristallinen Strukturen im Alumosilikatglas bestehen.
Die Durchdringung des Glases mit diesen Strukturen führt dazu, dass die Zähigkeit des Glases um ein Vielfaches höher ist als vor der Parakristallisation. Es erreicht nun einen Wert von bis zu 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/². Dies ist eine noch nie zuvor gemessene Zähigkeit für Oxidgläser. Gleichzeitig wird die Transparenz des Glases durch die parakristallinen Strukturen nicht gravierend beeinträchtigt.
Die Forscher erklären die außergewöhnliche Festigkeit des Glases damit, dass von außen auf das Glas einwirkende Kräfte, die normalerweise zu Bruch oder inneren Rissen führen würden, nun vor allem gegen die parakristallinen Strukturen gerichtet sind. Sie lösen Bereiche dieser Strukturen auf und überführen sie wieder in einen amorphen, zufälligen Zustand. Dadurch erhält das Glas insgesamt eine größere innere Plastizität, so dass es bei Einwirkung dieser oder auch stärkerer Kräfte nicht bricht oder reißt.
„Unsere Entdeckung unterstreicht eine wirksame Strategie zur Entwicklung äußerst schadenstoleranter Glasmaterialien, die wir mit unserer Forschung in den kommenden Jahren verfolgen wollen“, sagte Dr. Hu Tang, Erstautor der neuen Studie.
„Die Erhöhung der Zähigkeit durch Parakristallisation zeigt, dass Strukturveränderungen auf atomarer Ebene einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Oxidgläsern haben können. Auf dieser Ebene besteht ein großes Potenzial zur Optimierung des Werkstoffs Glas, das noch lange nicht ausgeschöpft ist.“ fügt Prof. Dr. Tomoo Katsura vom Bayerischen Forschungsinstitut für Experimentelle Geochemie und Geophysik hinzu.
Mehr Informationen:
Hu Tang et al., Härten von Oxidgläsern durch Parakristallisation, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01625-x