Wir alle haben schon einmal erlebt, wie Glas zerbricht, wenn es auf eine harte Kante oder den Boden trifft. „Glas ist zwar stark, aber anfällig für Brüche, wenn die Spannung seine Toleranz überschreitet“, erklärt Makina Saito von der Tohoku Universität in Japan. Aber warum gehen dann nicht alle Gläser beim Runterfallen zu Bruch? Schon länger wird vermutet, dass es in der amorphen Struktur des Glases atomare Prozesse gibt, die das zumindest zum Teil verhindern können. „Interessanterweise kann die Bewegung von Atomen und Molekülen innerhalb des Glases innere Spannungen abbauen, wodurch das Material widerstandsfähiger gegen Brüche wird“, erklärt Saito. Der Prozess wird Johari–Goldstein-Entspannung genannt, sein Ablauf ist aber nur in Teilen bekannt. „Obwohl wir wissen, dass einige Atome in nahe gelegene freie Stellen ‚springen‘, war es lange Zeit ein Rätsel, wie dieser Prozess Stress abbaut“, sagt Saito.
Atomare Sprünge und Gruppenbewegungen
Zusammen mit seinen Kollegen hat Saito dieses Phänomen nun genauer untersucht und die Atomsprünge in der Glasstruktur mit hoher Auflösung unter dem Mikroskop beobachtet. Die Physiker analysierten mittels Streuung von Synchrotronröntgenstrahlung die atomaren Bewegungen in ionischem Glas, einem Modellsystem aus Glas mit der Abkürzung CKN. Es besteht aus einem Gitter aus elektrisch geladenen Atomen und Molekülen: kugelförmigen Kalzium- und Kalium-Ionen (Ca2+ und K+) sowie dreieckigen Nitrat-Ionen (NO3–). Mit Computersimulationen werteten die Physiker ihre Beobachtungen anschließend aus und ermittelten, wie schnell und wie groß die Bewegungen im Glas sind.
Es zeigte sich eine Art Kettenreaktion: Zunächst „springen“ wie erwartet einzelne Atome im Glas innerhalb von Nanosekunden in nahe gelegene freie Stellen. Das aktiviert die umgebenden Atome, die sich daraufhin als Gruppe bewegen, um die entstandene Lücke zu füllen. Sie springen dabei aber nicht, sondern rücken ein winziges Stück zur Seite, um etwa 0,1 Nanometer, wie die Analysen ergaben. Diese Bewegung erfolgt beinahe ebenso schnell wie die Sprünge und dauert einige Mikrosekunden. Insgesamt wechseln bei diesem Prozess mindestens 75 Prozent der Glasatome ihren Platz. Dieses Zusammenspiel aus Sprüngen und Verschiebungen reduziert die innere Spannung und sorgt dafür, dass das Glas bei äußerer Krafteinwirkung nicht zerbricht. Damit hat das Team einen zuvor unbekannten zweiten Aspekt im Mechanismus der Johari–Goldstein-Spannungsrelaxation in Glas entdeckt.
