"Unzerstörbares" Material

Neues Aluminiumoxid-Glas ist härter als Stahl und trotzdem flexibel

Atomstruktur des Aluminiumoxid-Glases

Aluminiumoxid-Glas ist bei Raumtemperatur härter als Stahl und trotzdem flexibel. Dies wird durch schnelles Abkühlen des Aluminiumoxids (Al2O3) erreicht, das dadurch keine Kristalle bildet und seine amorphe Struktur beibehält. In Zukunft könnte das neue Glas-Material zum Beispiel für Smartphone-Displays genutzt werden.

Tampere (Finnland). Herkömmliches Glas ist ein Material, das äußerlich fest und hart ist und somit wie ein Kristall wirkt. In der Realität ist Glas hingegen eine amorphe Masse und besitzt somit Eigenschaften, die einer Flüssigkeit ähnlich sind. Dies liegt daran, dass die Moleküle und Atome im Glas keine festen Kristallgitter bilden, sondern ungeordnet in dem Material auftreten. Das erwartete Fließen dieser Flüssigkeit ist bei Raumtemperatur allerdings so gering, das es kaum messbar ist und mit dem bloßen Auge nicht erkannt werden kann.

Zu den problematischen Eigenschaften des Materials Glas gehört, das es zwar hart und leicht aber auch spröde ist und somit dazu neigt unter Druck zu springen. Dieser Nachteil ist beispielsweise bei Smartphone-Displays offensichtlich, die häufig bereits bei kleinen Stürzen brechen. Aus diesem Grund sucht die Wissenschaft bereits seit längerem nach einem neuen Glas-Material, dass bei Raumtemperatur flexibel bleibt und damit weniger anfällig für Brüche ist.

Aluminiumoxid-Glas bleibt bei Raumtemperatur dehnbar

Ein internationales Team aus Wissenschaftlern, an dem unter anderem die Universität Tampere und die Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt waren, hat nun im Fachmagazin Science einen Artikel publiziert, laut dem es gelungen ist, ein praktisch unzerstörbares Glas herzustellen. Dazu haben die Wissenschaftler eine Methode benutzt, bei der eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) so schnell abgekühlt wurde, dass diese keine Kristalle bilden konnte. Dabei entstand eine amorphe Struktur aus Aluminium und Sauerstoffatomen, die ein neues Glas-Material bilden.

Das metallische Glas zeigte dabei in den Testreihen besonders Eigenschaften und ist auch bei Raumtemperatur biegsam und dehnbar. Anstatt bei punktuellen Druckbelastungen zu springen, gibt das Aluminiumoxid-Glas stattdessen nach. Laut Megan Cordill, Co-Autor der Studie „war es überraschend, dass Glas auch bei Raumtemperatur über eine so hohe Plastizität verfügen kann.“

Neues Glas ist härter als Stahl

Ein fehlerfrei produziertes Aluminiumoxid-Glas kann laut den Studienautoren bei Raumtemperatur auf die doppelte Länge gedehnt werden, bevor es zerreißt. Die Wissenschaftler, „dass das belegt, dass amorphe Oxide bei Raumtemperatur weit biegsamer sind als man bisher angenommen hat.“ Experimente zeigten überdies, dass das Glas, obwohl es biegsam und flexibel ist härter und dabei leichter als Stahl ist.

In Zukunft könnte das neue Material zum Beispiel im Maschinenbau, in Batterien aber auch in Konsumentenprodukten wie Smartphone-Displays verbaut werden. Wie Frankenberg erklärt, „haben anorganische Gläser ein großes Potenzial in der modernen Elektronik, denn sie besitzen maßgeschneiderte funktionelle Eigenschaften.“

Industrielle Herstellung problematisch

Der derzeitige Herstellungsprozess erlaubt noch keinen industriellen Einsatz des neuen Glases. Dies liegt daran, dass Aluminiumoxid normalerweise nicht in den amorphen Glaszustand übergeht, sondern stattdessen beim Abkühlen Kristalle des Minerals Korund bildet. Wie Frankenberg erklärt, „bedarf es einer extrem hohen Abschreckrate, um die Kristallisation von Aluminiumoxid zu verhindern.“

Benutzt haben die Wissenschaftler dafür in ihrem Experiment eine Laserverdampfung, bei der das Oxid erst durch Laser verdampft wird und dann in einer Vakuumkammer dünne Schichten bildet. Aufgrund der hohen technischen Anforderungen und der geringen Ausbeute ist diese Methode zur Produktion größerer Mengen des Aluminiumoxid-Glases allerdings ungeeignet.

Science, doi: 10.1126/science.aav1254

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