ICS Key Visual

Navigation und Service


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 quasi-elastische Neutronenstreuung, um diese Dynamiken auf mikroskopischer Längenskala zu studieren

glas_d1_jpg

Die wichtigste glasspezifische Dynamik ist die α-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 zu quasielastischer Neutronen-streuung universell beobachtbar. Bis jetzt gibt es keine vollständige Theorie, die alle Merkmale der α-Relaxation über der ganzen Temperaturbereich beschreibt.

Die ersten quasielastischen Neutronenstreuexperimente wurden bei einzelnen Wellenvektoren q durchgeführt und bewiesen, dass das Verhalten der α-Relaxation für mikroskopische und makroskopische Längenskalen gleich ist (Universalität). Neuere Experimente konzentrieren sich auf die q-Abhängigkeit der α-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.

Ein anderes Relaxationsphänomen, das für Glasbildner als typisch betrachtet wird, ist die β-Relaxation. Ihre Temperaturabhängigkeit ist schwächer, normalerweise Arrhenius-ähnlich. Dies führt zur Tatsache, dass sie bei einer bestimmten Temperatur mit der α-Relaxation verschmilzt. Quasielastische Neutronenstreuung hat bedeutend zum Verständnis dieses Verschmelzungsbereichs beigetragen. Insbesondere wurde es gefunden, dass es keine ein-fache linearer Superposition ist, sondern eher eine Faltung beider Prozesse. Außerdem konnte aus der q-Abhängigkeit die räumliche Natur der β-Relaxation für einige Polymere bestimmt werden.

Eine sehr neue Entdeckung ist die eines schnellen Prozesses im Pikosekundenbereich durch Neutronen-Flugzeitspektroskopie. Dieser Prozess wird von einigen theoretischen Vorstellungen des Glasüberganges postuliert (Modenkopplungstheorie, Kopplungsmodell, Vibrations-Relaxations-Modell). Trotzdem konnte er lange im Experiment nicht gefunden werden, weil die im allgemeinen durchgeführten Relaxationsexperimente (z.B. dielektrische Spektrokopie, Rheologie) diesen hohen Frequenzbereich nicht abdecken.

Dieser Prozess ist unmittelbar benachbart zur Anomalie des Schwingungsspektrums bei tiefen Temperaturen, einer anderen Charakteristik von Gläsern, dem sogenannten Boson-Peak. Die-ses Merkmal wurde ursprünglich aus Anomalien der spezifischen Wärme und der Wärmeleit-fähigkeit bei niedrigen Temperaturen geschlossen. Durch inelastische Neutronenstreuung konnte die Schwingungszustandsdichte selbst bestimmt werden. Der Ursprung dieses Über-schusses über der Debye-Zustandsdichte ist noch unklar.

Zur Zeit werden Experimente durchgeführt, in denen der Einfluß der Systemgröße auf die glasspezifische Dynamik studiert wird. Zu diesem Zweck werden glasbildende Flüssigkeiten (Salol) und Polymere (PMMA, PMPA) 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 durch inelastische Neutronenstreuung gefunden wurde, war ein Abschneiden der Boson-Peak-Zustandsdichte. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt und erstreckt sich für einige Systeme bis zu überraschend großen Porendurchmessern.

R.Zorn


Servicemenü

Homepage