Von hoch aufragenden Wolkenkratzern bis hin zu kleinen, exquisiten Chronographenuhren ist Glas im Leben überall zu sehen.
Vor den beiden Sitzungen des Nationalen Volkskongresses sagte Peng Shou, ein Vertreter des Nationalen Volkskongresses, Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, Chefingenieur der China National Building Materials Group und Präsident des China National Building Materials Glass New Materials Research Institute, in einem Interview mit Reportern, dass wir die Energieeinsparung und die Kohlenstoffreduzierung in der Glasindustrie energisch vorantreiben müssen, damit Chinas Glasindustrie „grün“ wird.
Tatsächlich muss Glas nicht nur „grün“ werden, sondern auch „verjüngt“ werden – mit zunehmender Nutzungsdauer zeigt Glas Alterungserscheinungen, die normalerweise mit einer Verschlechterung der physikalischen, mechanischen und anderen Eigenschaften einhergehen. Die Frage, wie man alternde glasartige Substanzen „verjüngt“ und ihre Eigenschaften wiederherstellt, hat in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen.
Ende 2022 entdeckte das Team von Jiang Minqiang, einem Forscher am Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, durch Forschung einen neuen Verjüngungsmechanismus für stark gealterte metallische Gläser und vertiefte das Verständnis der Verjüngung von Glasstrukturen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der von der National Natural Science Foundation of China verwalteten Fundamental Research veröffentlicht, einer multidisziplinären englischsprachigen Zeitschrift, die gesponsert wird von
Glasalterung: Langsamer Übergang von der Unordnung zur Ordnung
Um Glas zu „verjüngen“, müssen wir zunächst verstehen, wie Glas „wächst“.
Jiang Minqiang führte aus, dass Glas aus mikroskopischer Sicht ein amorpher Feststoff mit unregelmäßiger Struktur ist. Er gab Reportern ein Beispiel: In kristallinen Feststoffen wie Stahl sind die Atome wie ruhig in einem Klassenzimmer sitzende Schüler, ordentlich angeordnet und weisen regelmäßige Formen auf. In Glas, einem amorphen Feststoff mit unregelmäßiger Struktur, sind die Atome wie Schüler, die nach dem Unterricht auf dem Campus herumlaufen, und ihre Anordnung ist ungeordnet.
Das Phänomen der Glasalterung ist im Wesentlichen die Umwandlung von Glas aus einem ungeordneten Zustand bei seiner Entstehung in einen geordneten Zustand. „Allgemein gesagt ist die Gesamtenergie der Materie im ungeordneten Zustand höher, während sie im geordneten Zustand niedriger ist. Mit der Zeit wandelt sich Glas allmählich von einem energiereichen in einen energiearmen Zustand um. Dieser Vorgang wird allgemein als Glasalterung bezeichnet.“ Jiang Minqiang erklärte, dass sich Glas sogar in einen festen Kristall mit regelmäßiger Struktur verwandeln kann, wenn die Alterungszeit lang genug ist oder die Alterung durch Erhitzen beschleunigt wird.
Die Alterung von Glas beeinträchtigt viele Eigenschaften wie die Zähigkeit, die optischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit des Glases. Es ist ein Phänomen, das man verzögern oder sogar vermeiden möchte. Daher hat die Glasverjüngung als Verfahren zur Umkehrung der Glasalterung seit langem große Aufmerksamkeit von wissenschaftlichen Forschern erhalten.
„Die Glasverjüngung ist der umgekehrte Prozess der Glasalterung, d. h. das Glas, dessen Atome nach der Alterung relativ geordnet waren, kehrt langsam in einen Zustand relativ ungeordneter Atome zurück“, sagte Jiang Minqiang. In früheren Studien zur Glasverjüngung stellten Forscher fest, dass verjüngtes Glas einen Teil der Wärmeenthalpie freisetzt, wenn es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Je höher der Verjüngungsgrad des Glases ist, desto größer ist die während des Erhitzens freigesetzte Wärmeenthalpie. Die thermische Enthalpie ist ein wichtiger Zustandsparameter, der die Energie eines Materialsystems charakterisiert. Einfach ausgedrückt ist die Enthalpie die Energie, die verjüngtes Glas während des Erhitzungsprozesses freisetzt.
„Unsere Forschung zeigt, dass die oben genannte Sichtweise nicht auf stark gealtertes Glas zutrifft. Mit zunehmendem Verjüngungsgrad von stark gealtertem Glas ändert sich seine Wärmeenthalpiefreisetzung nicht oder es wird sogar überhaupt keine Wärmeenthalpie freigesetzt.“ Die Forschung des Teams von Jiang Minqiang zeigt, dass die bisherigen Ansichten zum Alterungsmechanismus von Glas nicht auf stark gealtertes Glas anwendbar sind, was das Verständnis der Menschen über den Verjüngungsmechanismus der Glasstruktur auf den neuesten Stand bringt.
„Unbeabsichtigte Einfügung“: Die Forschungsergebnisse sind unerwartet
„Tatsächlich ist der Durchbruch bei dieser Forschung einem ‚unbeabsichtigten‘ Versuch unseres Forschungsteams zu verdanken.“ Jiang Minqiang sagte, dass der ursprüngliche Zweck dieses Experiments nur darin bestand, Versuchsproben vorzubereiten. „Unser Team hat die Probe ursprünglich für ein anderes Experiment vorbereitet. Um den wissenschaftlichen Charakter des Experiments zu unterstreichen, ist es notwendig, die thermische Vorgeschichte der Probe zu eliminieren und sicherzustellen, dass sie eine konsistente Struktur aufweist. Wir haben an der Glasprobe einen Niedertemperatur-Glühvorgang durchgeführt – das metallische Glas wurde langsam auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und für eine ausreichende Zeit gehalten, und dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf Raumtemperatur abgekühlt.“ Anschließend hat das Forschungsteam das stark gealterte Glas durch mechanische Verformung verjüngt. Das Ergebnis war unerwartet – „Wir haben offensichtlich durch mechanische Arbeit Energie in das Glas eingebracht, warum geben diese Gläser also keine Wärme ab und werden jünger?“ Dies steht im Widerspruch zur bisherigen Mainstream-Ansicht.
Dieses Ergebnis verwirrte das Forschungsteam. Um das Rätsel zu lösen, maß das Forschungsteam neben der thermischen Enthalpie auch die spezifische Wärme der Glasprobe bei hohen (450 K-750K) und niedrigen (1,9 K-100K) Temperaturen und untersuchte dann die Informationen zur atomaren Schwingung und zur topologischen Struktur des Glases. „Während des Experiments stellte das Forschungsteam fest, dass, obwohl der Parameter der Enthalpiefreisetzung vor dem Glasübergang in einigen Fällen unverändert blieb, die effektive Enthalpieänderung während des Glasübergangs und die spezifische Wärme der Atome bei niedrigen Temperaturen die beiden physikalischen Größen des Schwingungs-Bose-Peaks widerspiegelten, sich jedoch entsprechend ändern“, erklärte Jiang Minqiang weiter. „Dies zeigt, dass die thermische Enthalpiefreisetzung nicht die einzige physikalische Größe ist, die die Verjüngung von Glas widerspiegelt.“
Als Jiang Minqiang darüber sprach, warum die Wärmeenthalpiefreisetzung unverändert bleibt, erklärte er dies noch einmal anhand eines anschaulichen Beispiels: „Wenn wir eine kleine Kugel in die Vertiefung der ‚konkav‘ geformten Ebene legen, bleibt die kleine Kugel natürlich an ihrem Platz. Dieser Stabilitätszustand ähnelt dem von stark gealtertem Glas. Und wenn wir diese ‚konkav‘ geformte Ebene in einem bestimmten Winkel neigen, bleibt der Zustand des durch die kleine Kugel dargestellten Glases derselbe, obwohl die Höhe der Konkavität, d. h. das Energieniveau des glasartigen Materials, nahezu unverändert bleibt. Es wird instabil und das Phänomen der Glasverjüngung tritt auf.“
Forschungsergebnisse zeigen, dass sich die Glasverjüngung, im Gegensatz zu den bisher gängigen Ansichten, direkt in der Freisetzung von Wärmeenthalpie, also einer Erhöhung des Energieniveaus, widerspiegeln kann, oder sie kann sich auch in der Neigung der Energieoberfläche widerspiegeln, also durch die Neuanordnung der lokalen Struktur. Das freie Volumen wird im Raum neu verteilt. „Dies ist der neue Mechanismus zur Verjüngung stark gealterter glasartiger Materialien, den wir entdeckt haben“, sagte Jiang Minqiang.
Szenarien erweitern: einen breiten Anwendungsbereich schaffen
Im Rahmen dieser Studie wurde außerdem festgestellt, dass die drei oben genannten physikalischen Parameter, die die Verjüngung charakterisieren, beim Erreichen eines stabilen Fließzustands des Glases jeweils zu Sättigungwerten tendieren. Damit wurde erstmals experimentell festgestellt, dass die Obergrenze der Verjüngung der Glasstruktur der „eingefrorene“ stationäre Fließzustand ist.
Wenn wir Wasser als Analogie verwenden, ist Glas, das bei hohen Temperaturen flüssig wird, wie Wasser, während Glas, das bei niedrigen Temperaturen erstarrt, wie Eis ist. „Die Grenze der Erneuerung der Glasstruktur besteht darin, die Hochtemperaturglasflüssigkeit durch extrem schnelles Abkühlen plötzlich einzufrieren und so einen Materialzustand zu bilden, der ‚gefrorenem fließendem Wasser‘ ähnelt.“ Jiang Minqiang erklärte: „In diesem Fall erscheint das Glas in einem festen Zustand. Es behält eine Materialstruktur bei, die fast der einer Flüssigkeit entspricht, und seine Fließfähigkeit erreicht die Grenze des gegenwärtigen Verständnisses.“
Der in dieser Studie aufgedeckte neue Mechanismus zur Verjüngung glasartiger Substanzen ermöglicht uns nicht nur ein besseres Verständnis der Ursachen und Prozesse der Glasalterung aus physikalischer Sicht, sondern bietet auch ein enormes Anwendungspotenzial bei der Förderung der Chargenverjüngung von gealtertem Glas. „Das Forschungsteam steht derzeit in Kontakt mit Unternehmen, die in der Glasproduktion oder in der Forschung und Entwicklung tätig sind, und versucht, einen guten Kombinationspunkt zu finden, um die Technologie auf dem Markt einzuführen.“
Darüber hinaus entdeckte Jiang Minqiang auch, dass der in dieser Studie aufgedeckte neue Mechanismus voraussichtlich auch bei der Herstellung moderner Metallmaterialien Anwendung finden wird.
„Im Allgemeinen sind Festigkeit und Zähigkeit von Metallmaterialien nicht miteinander kompatibel. Wenn die Festigkeit zunimmt, nimmt die Zähigkeit ab und umgekehrt.“ Jiang Minqiang sagte: „Um diese inhärente umgekehrte Beziehung zu überwinden, muss man sich sowohl auf Festigkeit als auch auf Zähigkeit moderner Metallmaterialien vorbereiten.“
Hochfeste Metallmaterialien haben im Allgemeinen auf mikroskopischer Ebene ein sehr niedriges Gesamtenergieniveau. Wenn Energie durch Erhitzen und andere Methoden zugeführt wird, erfordert der Versuch, die Zähigkeit von Metallmaterialien durch Erhöhung des Gesamtenergieniveaus zu verbessern, oft einen extrem hohen Energieeinsatz, der fast unmöglich zu erreichen ist.
„Wenn wir den in dieser Studie entdeckten neuen Mechanismus nutzen können, um den Energieoberflächenwinkel von metallischen Materialien anzupassen, wenn das Gesamtenergieniveau niedrig ist, können wir die Unordnung der Atome erhöhen und gleichzeitig die gleiche makroskopische Festigkeit beibehalten, wodurch die Zähigkeit von metallischen Materialien verbessert wird. Durch diese Methode können wir einen enormen Energieeinsatz effektiv vermeiden und die Kosten für die Herstellung hochfester metallischer Materialien erheblich senken.“ Jiang Minqiang sagte, dass sein Team derzeit versucht, entscheidende Durchbrüche zu erzielen. Es liefert neue Ideen, um den seit langem bestehenden unüberbrückbaren Widerspruch zwischen Festigkeit und Zähigkeit von metallischen Materialien zu lösen.