Neues Glasmaterial ist härter als Stahl, aber trotzdem extrem biegsam und dehnbar Forscher entwickeln dehnbares Glas - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher entwickeln dehnbares Glas

Neues Glasmaterial ist härter als Stahl, aber trotzdem extrem biegsam und dehnbar

Laserdeposition
Im Laserlicht erzeugt: Ein Glasmaterial aus Aluminiumoxid (Al2O3) kann sich bei Raumtemperatur stark dehnen und biegen, statt zu brechen. © Erkka Frankberg

Biegsam statt brüchig: Forscher haben ein Glasmaterial entwickelt, das bei Raumtemperatur enorm dehnbar und biegsam ist – anders als normale Gläser. Statt unter Druck zu brechen, gibt dieses Aluminiumoxid-Glas flexibel nach und kann seine Länge bei Dehnung sogar verdoppeln. Dennoch ist es leichter und härter als Stahl, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Anwendungen für dieses Superglas gäbe es demnach viele.

Glas verdankt seine besonderen Eigenschaften einer scheinbar paradoxen Tatsache: Obwohl das Material fest und hart wie ein Kristall scheint, ist es in Wahrheit eher eine Flüssigkeit. Denn die Atome und Moleküle im Glas bilden kein Kristallgitter, sondern sind ungeordnet – sie bilden eine amorphe, im Prinzip flüssige Masse. Bei Quarzglas oder metallischen Gläsern ist diese Schmelze bei Raumtemperatur aber so stabil, dass dieses Fließen kaum messbar ist.

Doch es gibt ein Problem: Glas ist zwar sehr leicht und hart, aber spröde. Unter Druck springt es daher leicht, wenn es nicht durch Beschichtungen gehärtet wird. Forscher suchen daher schon seit langem nach einem Glasmaterial, dass auch bei Raumtemperatur flexibel und bruch-unempfindlich ist.

Al2O3-Glas
Atomstruktur des Aluminiumoxid-Glases. © Janne Kalikka

Fließen statt reißen

Ein solches „unkaputtbares“ Glas könnten nun Erkka Frankenberg von der Universität Tampere und seine Kollegen entwickelt haben. Mithilfe einer speziellen Methode haben sie dünne Filme aus Aluminiumoxid (Al2O3) so schnell abgekühlt, dass diese nicht kristallisieren konnten. Das Material wurde dadurch zu einem Glas – einer amorphen Anordnung von Aluminium und Sauerstoffatomen.

Das Entscheidende jedoch: Tests ergaben, dass dieses metallische Glas selbst bei Raumtemperatur ungewöhnlich biegsam und dehnbar ist. Es gibt starkem Druck flexibel nach, statt Risse zu bilden und zu brechen. Die Atome dieses Glases fließen dabei einfach aus dem Weg. „Es war überraschend, dass Glas auch bei Raumtemperatur über eine so hohe Plastizität verfügen kann“, sagt Koautorin Megan Cordill von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

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Auf doppelte Länge dehnbar

Konkret lässt sich das Aluminiumoxid-Glas bei Raumtemperatur um bis zu 100 Prozent dehnen, wenn es dicht und fehlerfrei ist. Es kann demnach seine Länge verdoppeln, bevor es reißt. Auch Biegungen und starkem Druck hält das Glas stand, wie eine Kombination aus Experimenten und Simulationen ergab. „Das belegt, dass amorphe Oxide bei Raumtemperatur weit biegsamer sind als man bisher angenommen hat“, konstatieren die Forscher.

Positiv auch: Trotz dieser Biegsamkeit und Flexibilität ist das Aluminiumoxid-Glas härter und zugleich leichter als Stahl. Damit könnte es sich für viele Anwendungen eignen, von Smartphone-Displays über Batterien bis hin zum Maschinenbau. „Anorganische Gläser haben großes Potenzial in der modernen Elektronik, denn sie besitzen maßgeschneiderte funktionelle Eigenschaften“, erklären Frankenberg und seine Kollegen.

Das Problem ist die Herstellung – noch

Bevor das „Superglas“ allerdings in Massen produziert und eingesetzt werden kann, müssen die Forscher noch eine große Hürde überwinden: Aluminiumoxid weigert sich normalerweise, in den amorphen Glaszustand überzugehen. Stattdessen kristallisiert es aus und bildet das Mineral Korund – aus ihm bestehen Edelsteine wie Saphir oder Rubin.

„Um die Kristallisation von Aluminiumoxid zu verhindern, bedarf es einer extrem hohen Abschreckrate“, erklären Frankenberg und sein Team. In ihrem Experiment gelang dies nur durch eine Laserverdampfung. Dabei wird das Oxid erst durch Laserpulse verdampft, dann in einer Vakuumkammer als Dünnfilm wieder abgelagert. Die dabei nötigen Extrembedingungen machen diese Methode jedoch für eine großtechnische Anwendung zu aufwändig.

Es wird daher nicht einfach sein, diese Ergebnisse in die Produktion von kommerziellen Glasprodukten umzusetzen, wie auch die Forscher einräumen. Noch sei es ein Problem, ein solches Glas ausreichend fehlerfrei und in großer Menge herzustellen. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aav1254)

Quelle: AAAS, Österreichische Akademie der Wissenschaften

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