Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen

Gläser sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Welt. Dabei handelt es sich im Alltag meist um sauerstoffhaltige Gläser, wie sie etwa für Fenster und Trinkgläser verwendet werden. Da derartige Gläser bei Raumtemperatur aber äußerst spröde sind und bekanntlich rasch brechen, sind ihre Einsatzmöglichkeiten in vielen Bereichen eingeschränkt.

Dass Glas bei Raumtemperatur aber wesentlich verformbarer sein kann als bisher angenommen, haben nun Forscher/innen des Erich-Schmid-Instituts für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zusammen mit Kolleg/innen aus Finnland, Frankreich, Italien, USA, Norwegen und der Schweiz experimentell und in Simulationen festgestellt. Ihre Ergebnisse stellen sie aktuell im Fachmagazin „Science“ vor.

Verformtes Glas statt Scherben

Den Durchbruch bei den Forschungsarbeiten, die an mehreren Standorten – darunter am ÖAW-Institut in Leoben in der Steiermark – realisiert wurden, lieferten spezielle Experimente mit Aluminiumoxid, einer Sauerstoffverbindung von Aluminium, die ein Bestandteil von herkömmlichem Glas ist. Indem die Forscher/innen diese Substanz extrem schnell abkühlten, konnten sie innen eine Kristallisation im Zuge der Glasherstellung verhindern und damit die Brüchigkeit des Materials drastisch reduzieren.

„Es war überraschend, dass Glas auch bei Raumtemperatur über eine so hohe Plastizität verfügen kann,“ sagt Megan Cordill, Ko-Autorin der Publikation und Materialwissenschaftlerin der ÖAW. „Gemeinsam mit unseren internationalen Kolleg/innen konnten wir zeigen, dass sich Aluminiumoxid bei Raumtemperatur und hoher Dehnungsrate dauerhaft ohne Bruch verformen kann.“ Das bei den Experimenten entstandene Glasmaterial zeichnet sich dadurch aus, wie Cordill erläutert, dass dessen Atome keine reguläre Ordnung haben, sondern zufällig gemischt werden und damit die hohe Verformbarkeit des gesamten Materials ermöglichen.

Hochgradig dehnbares Material

Durch anschließende Simulationen wurden die experimentellen Ergebnisse weiter analysiert. Dabei fanden die Forscher/innen heraus, dass das neue Material sogar eine Gesamtdehnung von 100 Prozent erreichen kann, wenn es dicht und frei von Fehlern ist. Das bedeutet, dass die Länge verdoppelt werden kann, bevor das Material bricht, wie Zugversuche, Druckversuche und Scherversuche bestätigten.

„Wir haben unsere Beobachtungen durch 3D-Messungen mittels Rasterkraftmikroskopie gemacht. So konnten wir die experimentell erreichte Verformung auch in Simulationen abbilden“, erläutert Cordill.

Härter und leichter als Stahl

Das neu entwickelte Glasmaterial hat zugleich noch weitere, vorteilhafte Eigenschaften: So erwies es sich sowohl als härter und zugleich als leichter als Stahl. Auch dadurch eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So könnte verformbares Glas in unterschiedlichsten Geräten zum Einsatz kommen, von biegsamen und zugleich extrem soliden Smartphone-Displays über Batterien bis hin zum Maschinenbau. Weitere Forschungen mit dem neu entwickelten Material sollen dabei helfen, dieses Potenzial für die Praxis auszuschöpfen.

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Megan Cordill
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Jahnstrasse 12, 8700 Leoben
T +43 3842804-112
megan.cordill@oeaw.ac.at

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Originalpublikation:
„Highly ductile amorphous oxide at room temperature and high strain rate“, E. J. Frankberg, J. Kalikka, F. García Ferré, L. Joly-Pottuz, T. Salminen, J. Hintikka, M. Hokka, S. Koneti, T. Douillard, B. Le Saint, P. Kreiml, M. J. Cordill, T. Epicier, D. Stauffer, L. Roiban, J. Akola, F. Di Fonzo, E. Levänen, K. Masenelli-Varlot, Science 2019
DOI: https://dx.doi.org/10.1126/science.aav1254