Neues Glas mit sehr hoher Bruchfestigkeit

Glas ist in vieler Hinsicht ein attraktiver Werkstoff für moderne Technologien. Allerdings schränkt seine Sprödigkeit, die leicht zu Rissen und Brüchen führt, seine Anwendungsmöglichkeiten ein. Forschungsansätze mit der Absicht, die Bruchfestigkeit von Glas unter Beibehaltung seiner vorteilhaften Eigenschaften stark zu erhöhen, haben bisher größtenteils nicht die gewünschten Ergebnisse gebracht.

Bei einem Druck zwischen 10 und 15 Gigapascal und einer Temperatur von etwa 1.000 Grad Celsius gruppierten sich die Silizium-, Aluminium-, Bor- und Sauerstoffatome zu kristallähnlichen Strukturen. Diese Strukturen werden als "parakristallin" bezeichnet, weil sie sich deutlich von einer völlig unregelmäßigen Struktur unterscheiden, aber nicht die völlig regelmäßige Struktur von Kristallen haben. Sowohl empirische Analysen mit Hilfe spektroskopischer Techniken als auch theoretische Berechnungen zeigten deutlich diesen Zwischenzustand zwischen Kristallstrukturen und amorpher Unregelmäßigkeit.

Selbst nach einem Druck- und Temperaturabfall auf normale Umgebungsbedingungen bleiben die parakristallinen Strukturen im Aluminosilikatglas erhalten. Die Durchdringung des Glases mit diesen Strukturen führt dazu, dass die Bruchfestigkeit des Glases um ein Vielfaches höher ist als vor der Parakristallisation. Sie erreicht nun einen Wert von bis zu 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/². Dies ist eine nie zuvor für Oxidgläser gemessene Bruchfestigkeit. Gleichzeitig wird die Transparenz des Glases durch die parakristallinen Strukturen nicht ernsthaft beeinträchtigt.

Die außergewöhnliche Festigkeit des Glases erklären die Forscher damit, dass von außen auf das Glas einwirkende Kräfte, die normalerweise zu Brüchen oder inneren Rissen führen würden, sich vor allem gegen die parakristallinen Strukturen richten. Sie lösen Teilbereiche dieser Strukturen auf und überführen sie wieder in einen amorphen, zufälligen Zustand. Auf diese Weise erhält das Glas insgesamt eine größere innere Plastizität, so dass es nicht bricht oder reißt, wenn es von außen sehr starken Kräften ausgesetzt ist.

"Unsere Entdeckung weist auf eine wirksame Strategie für die Entwicklung hochgradig schadenstoleranter Glasmaterialien hin, die wir in den kommenden Jahren mit unserer Forschung weiter verfolgen wollen", sagt Dr. Hu Tang, Erstautor der neuen Studie. "Die Erhöhung der Bruchfestigkeit durch Parakristallisation zeigt, dass strukturelle Veränderungen auf atomarer Ebene einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Oxidgläsern haben können. Hier liegt ein großes Optimierungspotenzial für den Werkstoff Glas, das noch lange nicht ausgeschöpft ist", ergänzt Prof. Dr. Tomoo Katsura vom Bayerischen Geoinstitut (BGI).

Veröffentlichung:
Hu Tang et al.: Toughening oxide glasses through paracrystallization. Nature Materials (2023), DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01625-x