Materialwissenschaft: Die Suche nach idealem Glas

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Bernstein | Das gelbliche Material ist Glas aus Baumharz. Dieses im Baltikum gefundene Exemplar enthält prähistorische Fliegen. Für Physiker bietet Bernstein eine einzigartige Gelegenheit, antikes Glas zu untersuchen, dessen Struktur sich nach geologischen Zeitskalen neu organisiert hat.

Der Grund: Die Moleküle an der Oberfläche eines Stoffes sind viel beweglicher als solche, die von mehreren Schichten bedeckt sind. Diese Beweglichkeit ermöglicht es dem Glas, schnell eine optimale Konfiguration zu finden. 2007 konnten Ediger und seine Kollegen nachweisen, dass die glasähnlichen Filme dichter, stabiler und widerstandsfähiger sind – und zudem eine geringere Konfigurationsentropie aufweisen als Glas, das durch langsames Abkühlen einer Flüssigkeit entsteht. Experten bezeichnen die so gewonnenen Substanzen daher als „ultrastabil“. Aktuellen Messungen zufolge könnten die ultrastabilen Filme eine Sprungtemperatur haben, die nur um wenige Grad von der mysteriösen Kauzmann-Temperatur abweicht, und damit sehr nahe an der Grenze des idealen Glases liegen.

Seit 2007 haben mehrere Veröffentlichungen gezeigt, dass ultrastabile Materialien für viele technische Anwendungen nützlich sind. Beispielsweise enthalten die Oled-Bildschirme von Samsung-Handys einige Komponenten aus Glas, das durch Dampfabscheidung synthetisiert wurde. 2017 zeigte ein Team der Universität Barcelona, ​​dass die von Ediger entdeckte Technologie die Helligkeit und Lebensdauer von OLED-Bildschirmen um mehr als 15 Prozent erhöht. Ihre höhere Leistung weist darauf hin, dass die Gläser eine bessere Unordnungskonfiguration haben.

Ultrastabile Gläser | Dank einer fortschrittlichen Herstellungstechnik, bei der Moleküle auf einem Substrat abgeschieden werden, weisen ultrastabile Materialien die Eigenschaften von sehr langsam abgekühltem Glas auf. Der Autor Ludovic Berthier und seine Kollegen entwickelten eine numerische Simulation, die auf einem Monte-Carlo-Algorithmus basiert, um diese Substanzen zu modellieren. Letztere tauscht zufällig die Position verschiedener Moleküle im Material aus. Das Verfahren ermöglicht es, verschiedene Anordnungen und die damit verbundenen Energien schnell zu berechnen. Die Forscher konnten zeigen, dass sich die Partikel an der Oberfläche leichter verteilen als im Inneren, was zu einem stabilen Gleichgewichtszustand in den dünnen Schichten führt. Die drei Bilder sind Ergebnisse von Simulationen, die für verschiedene Temperaturen durchgeführt wurden: die niedrigste links, die höchste rechts. Je röter der Ball, desto beweglicher ist er.

Experimentell ist es noch schwierig, direkte Beweise für einen Phasenübergang zu einem idealen Glas zu finden. Die Synthese von ultrastabilen amorphen Filmen liefert jedoch überzeugende indirekte Beweise. Die glasartigen Flächengebilde werden wieder flüssig, sobald sie erhitzt werden. Der Übergang ähnelt damit dem eines erhitzten Festkörpers (z. B. Eis bei Plustemperaturen). Dies stützt die Annahme, dass die ultrastabile Glasphase einen ausgeprägten amorphen Aggregatzustand darstellt – und nicht einfach eine Flüssigkeit mit extrem langsamer Dynamik.

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Zur Sicherheit können Physiker auf ein weiteres Werkzeug zurückgreifen: computergestützte Simulationen. Auch auf diesem Gebiet wurden in den letzten Jahren wichtige Fortschritte erzielt. Der Ansatz hat den Vorteil, dass jeder Parameter perfekt kontrolliert werden kann. Außerdem kann man die Stoffe auf atomarer Ebene betrachten und gleichzeitig das makroskopische Verhalten der Materialien untersuchen.

Ideales Glas ist ein ungeordnetes Material ohne jeden Fehler: die perfekte Unordnung!

Vor 2016 befanden sich Glasübergangssimulationstechniken in einer Sackgasse. Die Rechenzeiten waren so beträchtlich, dass die erreichbaren Abkühlgeschwindigkeiten etwa 100 Millionen Mal schneller waren als in Labortests. Dadurch waren die simulierten Gläser deutlich instabiler als die in klassischen Experimenten – die wiederum schon weit vom idealen Glas entfernt waren. Dies ließ wenig Hoffnung für den numerischen Ansatz.

Simulationen liefern neue Hinweise

Aber in diesem Jahr änderte sich die Situation radikal. Dann haben wir an der Université de Montpellier einen neuen Monte-Carlo-Algorithmus eingeführt, der auf einer gewissen Zufälligkeit bei seiner Ausführung basierte. Dieser Ansatz schließt die Lücke zwischen Simulation und Experiment und ermöglicht es, Modellbrillen am Computer zu untersuchen. Noch besser: Durch die weitere Optimierung des Programms konnten wir Gläser modellieren, die deutlich fester und dichter sind als experimentell hergestellte Materialien. Dadurch sparen wir teilweise mehr als zwölf Größenordnungen an Rechenzeit ein – bei zweidimensionalen Strukturen sind es sogar 40 Größenordnungen. Die in der Simulation hergestellten Gläser sind damit vergleichbar mit den ultrastabilen Folien, die Edigers Forschungsgruppe herstellt.

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Insbesondere der numerische Fortschritt ermöglicht es zu überprüfen, ob die Molekularfeldtheorie auch in drei Dimensionen gültig ist. Seit 2016 haben zahlreiche Computersimulationen das physikalische Verhalten von Flüssigkeiten bei rechnerisch noch nie zugänglichen Temperaturen untersucht. Mehrere Studien scheinen zu bestätigen, dass der Molekularfeldansatz dreidimensionale Modellbrillen korrekt beschreibt. Kühlt man die Flüssigkeiten möglichst nahe an den idealen Glasübergang, stimmen alle theoretisch vorhergesagten Eigenschaften gut mit den gemessenen Werten der simulierten Systeme überein. Unsere Rechenmodelle legen nahe, dass die Konfigurationsentropie bei der Glasübergangstemperatur verschwindet. Der Übergang hat die gleichen Eigenschaften wie ein Phasenübergang erster Ordnung – einer, der abrupt ist, wie die Kristallisation von Wasser bei null Grad Celsius.

Defekte in ultrastabilen Gläsern

Die spezifische Wärme von Glas

Der Wärmetransport ist eine grundlegende Materialeigenschaft. Generell kommt es auf die »spezifische Wärme« an. Ein großer Wert dafür bedeutet, dass viel Energie auf Kosten einer geringen Temperaturerhöhung gespeichert werden kann. Die spezifische Wärme steht in direktem Zusammenhang mit der Dissipation, bei der Energie in Wärme umgewandelt wird und dann nicht mehr verfügbar ist. Diese Effekte haben technische Konsequenzen, die für Quantencomputer besonders wichtig sind.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts formulierten Peter Debye und Albert Einstein eine Theorie der spezifischen Wärme in periodischen Kristallen. Es basiert auf der Quantisierung der harmonischen Anregungen des Kristallgitters. Bei niedrigen Temperaturen von etwa einem Kelvin (etwa minus 272 Grad Celsius) hängt die spezifische Wärme von der dritten Potenz der Temperatur ab.

Bei Brillen hingegen besteht ein linearer Zusammenhang. Bei niedrigen Temperaturen hat Glas eine größere spezifische Wärme als ein kristalliner Festkörper, was darauf hindeutet, dass es unterschiedliche Anregungen in Glas gibt, die noch nicht richtig verstanden werden. In den 1970er Jahren schlugen Phil Anderson und seine Kollegen ein Modell vor, das das Verhalten lokalisierten Defekten zuschreibt, deren Quantenverhalten die Beobachtungen erklären würde.

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Experimente mit ultrastabilen amorphen Filmen von Miguel Ramos von der Universidad Autónoma de Madrid und Frances Hellman von der University of California in Berkeley zeigen, dass die Anzahl solcher Defekte in ultrastabilen Gläsern abnimmt. 2020 bestätigten die Autoren dieses Artikels, Camille Scalliet und Ludovic Berthier, zusammen mit ihren Kollegen die Ergebnisse mit Computersimulationen, in denen sie erstmals die Defekte auf molekularer Ebene identifizieren konnten (rot im Bild). Indem sie die Stabilität der modellierten Gläser systematisch variierten, konnten sie mit zunehmend stabiler werdenden Gläsern eine drastische Abnahme der Defekte beobachten. Alle diese Ergebnisse legen nahe, dass die spezifische Wärme in quasi-idealen Gläsern so niedrig werden kann wie in einem perfekten Kristall. Daher ist die Energiedissipation in solchen Materialien viel kleiner als in gewöhnlichem Glas.

Die Messungen von Miguel Ramos in geologischem Bernstein, dessen Struktur sich vermutlich über Jahrmillionen stabilisiert hat, zeigen jedoch, dass die Energiedissipation im Vergleich zu jungem Bernstein nicht wesentlich geringer ist. Warum das so ist, ist noch nicht bekannt. Somit bleibt Bernstein ein Rätsel, das es zu lösen gilt.

Diese jüngsten Entwicklungen werfen ein neues Licht auf die physikalischen Eigenschaften von Glas. Um dies zu überprüfen, kann man beispielsweise die Qualität des produzierten Materials variieren. Und wie sich herausstellt, unterscheiden sich die Eigenschaften von ultrastabilen Materialien (die idealem Glas ähneln) von denen gewöhnlicher Gläser. Wir verstehen jetzt, dass die thermischen, thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften durch eine kleine Gruppe von Defekten erklärt werden können. Das Vorhandensein solcher Defekte ist jedoch schwer nachzuweisen, da die mikroskopische Struktur von Glas homogen und ungeordnet ist. Es bleibt schwierig, die richtigen Tools zu finden, um sie einfach zu erkennen. Computersimulationen machen jedoch deutlich, dass sich Glas bei langsamer Druckeinwirkung nur an wenigen Stellen verformt. Je näher man dem Idealzustand kommt, desto kleiner wird die Anzahl der Bruchstellen. Dies deutet darauf hin, dass ideales Glas, wie von der Molekularfeldtheorie vorhergesagt, ein ungeordnetes Material ohne Defekte ist: die perfekte Unordnung!

Ein Team um die Physikerin Frances Hellman von der University of California in Berkeley zeigte 2014 einen weiteren Vorteil dieser Materialien: Jene Defekte, die für Dissipation sorgen, also dafür, dass Energie im Inneren des Glases in Wärme umgewandelt wird und damit „verloren geht“, treten viel seltener auf. in ultrastabilen Materialien als in gewöhnlichen Kühlgläsern. Ramos und seine Mitarbeiter erzielten ähnliche Ergebnisse. Unsere 2020 veröffentlichte Computerstudie unterstützt die experimentellen Ergebnisse und legt nahe, dass es im idealen Glas fast keine Dissipation gibt. Hellmans Team arbeitet nun an ultrastabilen Glasbeschichtungen, die für das LIGO-Interferometer verwendet werden können. Solche Materialien mit stark reduzierter Verlustleistung könnten auch einige Probleme zukünftiger Quantencomputer lösen.

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