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Gläser

In der Physik wird der Begriff „Glas“ benutzt, um Materialien zu bezeichnen die ohne Kristallisation erstarren. Neben dem bekannten Fensterglas fallen einige Polymere, organische Verbindungen und metallische Gläser in diese Kategorie. Trotz der langen Geschichte der Glasforschung ist die molekulare Natur des Glasübergangs und der damit zusammenhängenden Relaxationsprozesse noch nicht gut verstanden. Wir nutzen inelastische und quasielastische Neutronenstreuung, um diese Dynamiken auf mikroskopischer Längenskala zu studieren.

Die wichtigste glasspezifische Dynamik ist die a-Relaxation. Sie kann nicht durch eine einfache exponentielle Funktion beschrieben werden und folgt nicht dem Arrhenius-Gesetz. Trotzdem ist sie durch Methoden von Rheologie bis hin zu quasielastischer Neutronenstreuung universell beobachtbar. Bis jetzt gibt es keine vollständige Theorie, die alle Merkmale der a‑Relaxation über der ganzen Temperaturbereich beschreibt.

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Die ersten quasielastischen Neutronenstreuexperimente wurden bei einzelnen Wellenvektoren q durchgeführt und bewiesen, dass das Verhalten der a-Relaxation für mikroskopische und makroskopische Längenskalen gleich ist (Universalität). Neuere Experimente konzentrieren sich auf die q-Abhängigkeit der a-Relaxation, von der erwartet wird, dass sie ihre räumliche Struktur enthüllt, z.B. die Frage, ob sie von homogener oder heterogener Natur ist. In dieser Hinsicht wurde ein Übergang von der Gültigkeit der Gauss’schen Näherung bei niedrigem q zu einem Bereich gefunden, wo diese verletzt wird. Diese q-Abhängigkeit kann konsistent durch ein Modell von diskreten Sprüngen erklärt werden.

Daneben treten in Gläsern weitere dynamische Phänomene auf, die auch mit Neutronenstreuung studiert werden können. Diese stehen zwar nicht in direktem Zusammenhang mit dem Glasübergang sind aber auch für amorphe Materialien charakteristisch:

  • Die β-Relaxation ist ein Prozess, der sich bei tieferen Temperaturen von der α-Relaxation abspaltet. Dieser Zusammenhang und die räumliche Natur dieses Prozesses konnte durch Neutronenstreuung entscheidend aufgeklärt werden.
  • Der ‚schnelle Prozess’ im Pikosekundenbereich entspricht in vieler Hinsicht der von der Modenkopplungstheorie vorausgesagten (schnellen) β-Relaxation oder dem Elementarprozess in Ngai’s ‚coupling model’.
  • Der Bosonpeak ist eine Anomalie im Vibrationsspektrum amorpher Materialien, deren Ursprung und Zusammenhang mit den Relaxationsphänomenen bis heute nicht geklärt ist.

Eine weitgehend ungeklärte Frage im Zusammenhang mit dem Glasübergang ist die mögliche Existenz einer charakteristischen Länge (‚Kooperativitätslänge’, ξ). In einigen Theorien spielt diese Länge eine Schlüsselrolle in der Erklärung der Eigenschaften der α-Relaxation. Ein (indirekter) Zugang stellt hier die Einschränkung der Systemgröße auf diese Längenskala dar.

Zu diesem Zweck werden glasbildende Flüssigkeiten, Polymere und Flüssigkristalle in poröse Gläser mit kontrollierten Poren von 2.5–20 nm eingeschlossen. Dielektrische Spektroskopie hat gezeigt, dass dieser Einschluss zu einer Verbreiterung der Verteilung von Relaxationszeiten führt. Dies konnte durch quasielastische Neutronenstreuung auf molekularer Ebene bestätigt werden.

Eine neuer Effekt, der in diesen Experimenten  gefunden wurde, ist ein Abschneiden der Bosonpeak-Zustandsdichte. Dieser Effekt konnte qualitativ durch ein Modell des Bosonpeaks als modifizierte Schallwellen erklärt werden. In neueren Experimenten wird ein direkter Zugang zu einer Kooperativitätslänge durch Identifikation der längenabhängigen Zeitskala in Neutronenstreuexperimenten mit der Zeitskala thermischer Relaxation gesucht.

 


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